草地生态系统氮循环关键过程对全球变化及人类活动的响应与机制

氮(N)是蛋白质、核酸、酶、激素、叶绿素等物质的主要组成部分,对生态系统结构的组成和功能的发挥具有十分重要的影响。国际地圈与生物圈计划(IGBP)以及政府间气候变化委员会(IPCC)的许多大型研究计划均把氮素循环过程作为其核心研究内容。草原生态系统作为地球上宝贵的自然资源,其功能的发挥对于维持全球及区域性生态平衡有极其重要的作用。但迄今为止,对草地氮循环关键过程及其对全球变化(CO₂浓度升高、温度与降水变化、氮沉降)以及人类活动(放牧、开垦、火烧等)响应与反馈的认知远不及对草地碳循环过程那么系统与深入,迫切需要开展相关领域系统的科学试验研究。本文综述了目前国内外全球变化和人类活动因子对草地氮循环过程影响的相关研究成果,分析了其主要影响途径以及关键机制,在此基础上对目前研究中存在的不足进行了剖析,并对未来研究中迫切需要关注的重点研究方向进行了探讨与展望。     

稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体 固碳研究中的应用进展

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解直接影响陆地生态系统碳贮藏与全球碳平衡。土壤团聚体是土壤结构的物质基础和土壤肥力的重要载体,也是土壤有机碳的固定场所。稳定~(13)C同位素示踪技术是研究土壤碳动态变化的有效手段,能够揭示新输入碳在土壤及团聚体中赋存状态、周转过程以及微生物的调节机制。本文主要归纳与阐述了稳定~(13)C同位素示踪技术在农田土壤有机碳循环及土壤团聚体固碳机理方面的研究进展,提出~(13)C同位素示踪技术在未来土壤碳循环和固碳机制方面的主要研究方向。     

免耕与常规耕作潮棕壤交换性阳离子的剖面分布特征

通过田间定位试验.研究了不同耕作方式对潮棕壤0-100 cm深度6个土层土壤交换性阳离子的影响.结果表明,与常规耕作相比,免耕使土壤表层pH显著增,.而电导率下降;同时,免耕增加了表层土壤可交换性K~+含量,降低了可交换性Na~+含量,但对可交换性Ca~(2+),Mg~(2+)和阳离子交换量没有产生显著影响.相关分析结果表明,可交换性K~+与土壤养分含量没有显著相关性,而可交换性Na~+,Ca~(2+),Mg~(2+)和阳离子交换量与有机质和全氮含量均呈负相关关系.     

地膜覆盖与施肥对秸秆碳氮在土壤中固存的影响

【目的】作物秸秆不仅含有较高的有机碳,而且含有丰富的矿质营养元素。秸秆还田是东北黑土地区培肥土壤和农业可持续发展的重要技术措施。然而不同地膜覆盖（简称“覆膜”）及施肥方式下秸秆碳（C）和氮（N）在土壤中的固持特征还不是很明确。本研究通过定量分析秸秆碳对土壤有机碳（SOC）和秸秆氮对土壤全氮（TN）的贡献,探讨不同覆膜和施肥条件下秸秆碳和氮在土壤中固定的差异,以期为土壤肥力提升和东北黑土地保护提供依据。【方法】基于覆膜与施肥的长期定位试验,选择覆膜和不覆膜（裸地）栽培条件下不施肥（CK）、单施氮肥（N₄）和有机肥配施氮肥（M₂N₂）处理,在表层（0—20 cm）土壤添加¹³C¹⁵N双标记秸秆后在田间原位培养150 d,测定SOC含量及其δ¹³C值、TN含量及其δ¹⁵N值,分析SOC中秸秆来源C（¹³C-SOC）、TN中秸秆来源N（¹⁵N-TN）和土壤碳氮比随时间的动态变化特征。【结果】施肥、覆膜及其它们的交互作用显著影响（P<0.05）¹³C-SOC和¹⁵N-TN含量。整个培养期间,M₂N₂处理秸秆碳对SOC的贡献率（¹³C-SOC/SOC）和秸秆氮对TN贡献率（¹⁵N-TN/TN）平均分别为10.48%和3.18%;施肥（N₄和M₂N₂）处理¹³C-SOC/SOC和秸秆碳残留率在覆膜方式下平均分别为12.65%和37.14%,不覆膜方式下分别为12.08%和34.50%。同一栽培方式培养第150天,N₄处理¹³C-SOC/SOC和秸秆碳残留率平均分别为14.33%和39.40%,其他施肥处理平均分别为11.77%和33.21%;CK处理¹⁵N-TN/TN平均为4.56%,分别比N₄和M₂N₂处理高26.00%和44.53%。培养第150天,秸秆氮残留率在覆膜和不覆膜条件下CK处理最高,平均为10.03%;不覆膜N₄处理最低,为7.87%。无论覆膜与否,N₄处理¹³C-SOC与¹⁵N-TN比值为32—39,其他施肥处理均<30。【结论】秸秆碳氮在土壤中的固存对覆膜与施肥的响应敏感。单施氮肥有利于秸秆碳在土壤中的积累和有机碳的更新,不施肥处理秸秆氮对土壤氮库的固定起正反馈效应,而有机肥配施氮肥土壤碳氮的更新相对滞后。     

氮沉降对陆地生态系统关键有机碳组分的影响

土壤有机碳不仅可以为植物生长提供营养元素,维持土壤良好的物理结构,而且库容巨大,其储量的微弱变化会导致大气圈中CO₂浓度发生较大变化,从而直接影响全球碳平衡格局。氮是影响陆地生态系统植物生长的首要营养元素,大气氮沉降以及人为氮肥施入作为陆地生态系统氮的重要来源,其变化会深刻改变陆地生态系统的植物生长和净初级生产力,并进而影响全球碳循环和其他生态系统过程。欧美等国的生态学者近20年来就氮输入对不同生态系统碳库的影响进行了广泛而深入的研究,我国学者近年来也逐渐开始关注氮输入对陆地碳循环相关过程的定量研究,并取得了一系列的研究进展。但尽管如此,氮沉降以及人为氮输入对陆地生态系统碳循环的影响效应与作用强度依然是目前四大碳汇机制研究最为薄弱的一个环节。鉴于此,本文综述和分析了近年来氮沉降对陆地生态系统土壤总有机碳(total organic carbon,TOC)、溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)等不同土壤碳组分影响的相关研究结果,并针对目前氮沉降增加对陆地生态系统土壤碳库影响研究存在的问题提出了几点展望,以期对我国未来相关领域研究的进一步开展起到一定的参考作用。     

外源新碳在不同肥力土壤中的分配与固定

外源新碳加入土壤后,传统技术尚无法区分其与原土壤有机碳的不同。利用13C稳定同位素方法,通过室内培养实验,探讨玉米秸秆和根茬添加到不同肥力水平土壤后外源新碳在土壤中分配与固定的差异。结果表明:(1)低肥土壤添加叶28 d后土壤有机碳(SOC)含量高于添加根和茎的;高肥土壤添加叶在整个培养期间(1~180 d)SOC含量都高于添加根和茎;两种肥力水平土壤在添加玉米根、茎、叶180 d后SOC含量均接近相等。(2)玉米根、茎、叶的添加对SOC中外源新碳含量以及残体残留率的影响不同,28 d前低肥土壤外源新碳含量高于高肥土壤,28 d后结果与之相反;低肥土壤在培养28 d后添加根的残留率比添加茎和叶的低,高肥土壤在培养7 d后添加叶的残留率比添加根和茎的低。以上结果表明,外源新碳在土壤中的固定受其来源和土壤肥力水平的影响与制约。     

不同肥力棕壤玉米根茬和茎叶残体碳氮的固定特征

目的 秸秆还田是增加土壤碳固定和改善土壤养分状况的重要措施之一。研究玉米不同部位残体碳、氮在土壤中的固定特征,明确秸秆还田的土壤增碳培肥机制。方法 以沈阳农业大学棕壤长期定位试验站为平台,采集不施肥和有机肥配施化肥处理的土壤分别作为低肥力（LF）和高肥力（HF）土壤,并分别与¹³C和¹⁵N双标记的玉米茎叶（S）、玉米根茬（R）混合,在25℃条件下进行室内培养试验。试验于第1、30、60、180和360 天取样并测定土壤总有机碳（SOC）、全氮（TN）含量及其同位素丰度,分析玉米不同部位残体碳、氮在不同肥力水平土壤中的固定特征。结果 添加玉米残体显著提高土壤SOC,一年后仍能提高14.0%。添加玉米残体后,土壤系统中有一小部分氮素可能以反硝化方式流失,且外源玉米残体氮和土壤原有老氮均有损失。与添加根茬相比,添加茎叶更有利于外源新碳、氮的增加,而且具有更强的激发老碳、氮分解/损失的效应,不利于土壤老碳、氮的固持;根茬残体则更趋向于被分解,使土壤老碳、氮得到相对的保护和固定。外源残体碳虽然在低肥力土壤中的固定较少,但是对低肥力土壤碳库的提升具有更大的贡献。添加残体后低肥力土壤的C/N和¹³C/¹⁵N（代表土壤中来自于外源残体的C/N）显著高于高肥力土壤。但本研究结果表明¹³C/¹⁵N并不是限制低肥力土壤中残体分解和固定的主要因素,其主要原因可能在于底物长期选择条件下的特异性土著土壤微生物群落较为稳定,对于外源有机质加入的干扰具有抵抗力造成的。结论 土壤中添加玉米不同部位残体均可显著提高土壤碳、氮水平,但其内在的残体新碳/氮和土壤老碳/氮的固定策略相异。低肥力土壤较高肥力土壤对外源碳的固定少,其对不同部位残体的固定在本研究中并不受到来自于外源残留残体C/N的影响。     

植物残体向土壤有机质转化过程及其稳定机制的研究进展

土壤有机质的数量和质量不仅是衡量土壤肥力状况的核心要素,其形成、转化及稳定过程还与全球气候变化密切相关。植物残体是土壤有机质的初始来源,但由于其腐解过程的复杂、多变性以及土壤有机质、微生物的高度异质性,植物残体向土壤有机质的转化和稳定机理尚不十分明确。本文介绍并讨论了近年来关于植物残体向土壤有机质转化相关研究的新发现,探讨了微生物源和植物源有机质对土壤有机质的贡献,概述了土壤有机质形成的微生物驱动机制,并综述了植物残体输入后土壤有机质稳定性的相关研究,最后对该研究领域未来的发展进行展望,以期能够为科学地提高土壤的固碳能力提供参考。     

长期施肥与覆膜对土壤细菌、泉古菌和氨氧化微生物丰度的影响

施肥与覆膜等农田管理措施能够改变土壤的物理化学性质,这直接影响着驱动氨氧化过程的氨氧化微生物,而氨氧化过程是硝化作用的限速步骤。以沈阳农业大学棕壤长期施肥与覆膜试验站为平台,采用荧光定量PCR技术,研究了5种施肥制度下[不施肥(CK)、氮肥(N)、氮磷肥(NP)、有机肥(M)和有机无机配施(MNP)]土壤细菌、泉古菌和氨氧化微生物数量的变化。结果表明,不同施肥处理细菌、泉古菌、氨氧化细菌和氨氧化古菌的基因拷贝数平均值分别为0.52×109～4.20×109、2.14×108～9.69×108、0.21×107～6.89×107和0.26×107～74.70×107copies g-1干土。与CK相比,有机肥处理(M、MNP)能显著增加土壤细菌的丰度,化肥处理(N、NP)则相反;施肥尤其是化肥处理(N、NP)均能降低泉古菌和氨氧化古菌的丰度;有机肥处理(M、MNP)显著增加了氨氧化细菌的丰度。细菌、泉古菌、氨氧化细菌和氨氧化古菌丰度均与pH值存在显著正相关关系(P0.05),细菌和氨氧化细菌丰度则主要受全碳含量的影响,而细菌、泉古菌和氨氧化细菌丰度与铵态氮、硝态氮含量存在极显著负相关关系(P0.01)。研究结果可为进一步探讨农田生态系统中氨氧化微生物对不同管理措施的响应机制及其在氮素转化中的作用提供科学依据。     

灌溉对农田温室效应贡献及土壤碳储量影响研究进展

农田碳库是全球碳库最活跃的部分,对管理措施变化的响应十分敏感。灌溉技术作为中国旱作农业的重要管理措施,其变化势必会对农田温室效应贡献及土壤碳固存能力产生重要影响,但相关试验数据及机理研究迄今仍十分缺乏。文章综述了灌溉对农田土壤呼吸及其不同组分、氧化亚氮（N2O）与甲烷（CH4）源汇通量以及农田土壤碳储量变化的定量影响,比较了上述参数变化对不同灌溉方式、灌溉量、灌溉频率、灌溉年限以及灌溉水质等的差异响应,剖析了可能的影响机制。分析表明：（1）灌溉通常将增加土壤的碳排放,但土壤呼吸与灌溉量间并非线性关系。在水分亏缺条件下,土壤呼吸与灌溉量呈现正相关,而过量灌溉则会降低土壤呼吸;灌溉影响土壤呼吸的温度敏感性（Q10）,Q10与灌溉量之间呈抛物线关系,漫灌方式下土壤呼吸的温度敏感性高于滴灌;不同灌溉方式下土壤呼吸不同组分的贡献率及其对水分变化的响应存在较大差异,灌溉对根系呼吸的影响较对土壤微生物呼吸的影响更为显著,滴灌条件下根系呼吸对土壤呼吸的贡献率显著大于漫灌;灌溉水质与灌溉深度显著影响土壤温室气体释放总量,开展充分的市政污水处理能够为国家和地区换取更多的碳排放信用。（2）水分管理是减缓农田N2O与CH4排放的重要措施,水分状况对N2O与CH4的产生过程与排放途径均存在重要影响;水分管理对CH4和N2O排放的影响往往存在明显的消长关系,采用全球增温潜势（GWPs）等综合性评价指标才能更加准确与全面地反映灌溉及其不同方式所带来的农田温室效应贡献变化。（3）水分变化对土壤有机碳存在增加、降低或不显著等多种可能影响。不同气候、土壤类型下表层有机碳含量变化对灌溉的响应存在明显不同,灌溉在相对干旱地区对土壤有机碳的增加效应更为显著;不同组分有机碳对灌溉方式变化响应的敏感度以及响应方向存在差异,对于某种灌溉方式影响效应的评价须从农业节水、增加土壤有机碳储量以及提高活性有机碳利用率等多角度进行综合分析。迄今为止,灌溉对土壤主要温室气体排放及土壤有机碳储量的影响效应仍存在较大不确定性,今后应加强不同灌溉方式之间的对比研究,尤其是灌溉方式改变后土壤温室气体排放空间差异性的变化;重点关注灌溉及其方式变化对温室气体综合增温潜势以及生态系统碳源汇功能的影响;加强不同灌溉方式的长期与短期效应的比较;深化灌溉驱动农田温室效应变化的微生物学驱动机制的研究等。