陆地生态系统植物吸收有机氮的研究进展

在一些强烈受到氮矿化限制的地区如北极苔原、高山草甸和北方森林,很多植物可以吸收土壤中的有机氮。这种现象引起人们对建立于氮矿化基础上的陆地生态系统氮循环模式的重新思考。本文主要就植物可吸收利用土壤中有机氮的类型,菌根在植物养分获取过程中扮演的角色,以及有机氮吸收的试验设计方法等进行综述。研究发现,植物可直接吸收的土壤有机氮主要包括游离氨基酸和小分子肽。在植物从复杂氮源如蛋白质、几丁质和多酚－蛋白质络合物获取养分的过程中,菌根真菌和腐生真菌的作用不容忽视。植物吸收有机氮的试验设计可以借助同位素技术和数学模型等方法,如何使试验能够真实地反映植物在自然条件下对有机氮吸收的能力是在未来的研究中需要仔细考虑的问题。     

氮添加对白羊草土壤不同碳组分的影响

大气氮沉降已经成为全球性的环境问题,为更好地了解氮沉降增加对草地土壤质量的影响,2013年7月,以白羊草（Bothrichoa ishaemum）群落为研究对象,通过人工构建白羊草种群小区,在中国科学院水土保持研究所人工干旱大厅进行模拟氮沉降的控制试验。本试验设置了裸地（LD）、对照（N0）和3个氮（尿素）添加处理,依次为2.5 g·m^-2·year^-1（N2.5）,5.0 g·m^-2·year^-1（N5.0）和10 g·m^-2·year^-1（N10.0）,探讨了氮沉降对白羊草群落土壤总有机碳（TOC）和易氧化有机碳（OC）各组分的影响。结果表明,低浓度（N2.5）氮添加提高了白羊草土壤TOC含量,高浓度（N10.0）氮添加降低了土壤TOC含量;氮添加降低了白羊草土壤C_active（活性碳组分）/TOC比例,增加了C_passive（惰性碳组分）/TOC比例;在N5.0和N10.0氮添加水平,C_passive/TOC趋向于达到50%;土壤活性系数随氮添加浓度的增加而降低。综上所述,随着氮添加浓度增加土壤C_active与C_passive含量趋于平衡,土壤碳库更加趋于稳定。     

氮沉降影响草地生态系统土壤氮循环过程的研究进展

人类活动及化石燃料应用的加剧增加了大气中的氮沉降,对陆地生态系统氮素循环过程造成了显著影响,从而影响生态系统生产力及稳定性。草地作为陆地生态系统的重要组成部分,常因为人们的过度利用及保护意识不强,造成资源损失、养分失衡,严重限制了畜牧业的发展。探究氮沉降对草地生态系统氮循环的影响对提高草地生产力,合理开发与利用草地资源具有重要意义。通过追踪国内外已有的研究成果发现,大部分氮添加抑制了生物固氮过程,促进了土壤的硝化作用、反硝化作用和矿化作用,并抑制了固氮微生物活性,增加了硝化功能微生物氨氧化细菌（AOB）、反硝化微生物功能基因nirK、nirS、narG、nosZ的丰度。但是因为草地本底氮营养差异及施氮措施的不同导致少数研究中土壤氮循环对氮沉降的响应出现不同结果。通过总结已有研究发现：1）土壤本底营养及氮吸收阈值的不同造成氮沉降对氮循环的影响存在差异;2）微生物作为土壤氮素循环的重要参与者,对不同施氮时间、频率、数量等的响应存在差异;3）土壤中氮循环的各环节紧密耦联,相互影响,但现有的研究大多只针对某一环节开展,研究结果不具有全面性。因此,在未来的研究中,应针对不同营养水平的草地,加强氮控制条件下土壤氮循环微生物变化的研究,关注多环节的耦联关系,对于提高草地生态系统功能,并减轻氮素损失对环境造成的威胁意义重大。     

冬季种养结合对稻田土壤微生物量及有效碳氮库的影响

以双季稻冬闲田种植绿肥与养鸡结合的新型种养制度为平台,通过冬季绿肥和鸡粪还田,减少水稻生育期化肥用量,探讨“冬季绿肥-双季稻”轮作种植制度和“冬季种养结合-双季稻”种养制度下对稻田土壤微生物碳、氮和可溶性有机碳、氮的影响。试验包括5个处理,分别为冬闲(F)、冬季种植黑麦草(R)、冬季种植紫云英(M)、冬季种植黑麦草与养鸡结合(RC)以及冬季种植紫云英与养鸡结合(MC)。结果表明,在整个试验的动态过程中,微生物量碳、氮及可溶性有机碳、氮含量高低总体趋势表现为绿肥养鸡>绿肥>冬闲,各处理间差异显著(P<0.05);“冬季种养结合-双季稻”种养制度能显著提高土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮。各处理微生物量碳、氮和可溶性有机氮在3月24日达到最大值,RC、MC、R和M处理微生物量碳最大值分别为492.22,464.91,432.34和435.48 mg/kg;微生物量氮的最大值分别为118.20,101.03,70.13和85.46 mg/kg;可溶性有机氮的最大值分别为1001.47,926.21,832.80和870.75 mg/kg;可溶性有机碳在早稻苗期达到最大值,RC、MC、R和M最大值分别为278.95,266.40,246.13和249.84 mg/kg。微生物量碳含量的高峰在早稻移栽初期、晚稻孕穗期和灌浆期,微生物量氮的高峰出现在早稻分蘖期、齐穗灌浆期和晚稻孕穗期,可溶性有机碳在稻田养鸡及成鸡出栏后较高。与冬闲田种植绿肥和休闲相比,冬闲稻田种植绿肥结合养鸡对增加微生物生物量的贡献更大,并显著提高土壤的可溶性有机碳氮,间接反映了种养制度能提高土壤有机碳、氮的矿化速率和土壤的活性有机碳氮以及满足水稻生长期间自身养分需求。     

放牧管理模式对高寒草甸生态系统有机碳、氮储量特征的影响

为探讨不同放牧管理模式高寒草甸生态系统有机碳、氮储量特征的变化,对青藏高原东缘禁牧(NG)、全生长季休牧(RG)、传统放牧(TG)和连续放牧(CG)4种放牧管理模式高寒草甸地上植被、地表凋落物、根系和土壤有机碳、氮储量进行测定和分析。结果表明,1)NG、RG和TG较CG显著提高了土壤、根系、植被和凋落物有机碳、氮储量。2)高寒草甸生态系统中,土壤有机碳储量所占比例最大(88.859%~98.242%),其次为根系(1.563%~8.742%),再次为植被(0.172%~1.430%),最小为凋落物(0.022%~0.969%);氮储量所占比例最大的是土壤(97.331%~99.633%),其次为根系(0.316%~2.071%),再次为植被(0.047%~0.442%),凋落物最小(0.003%~0.157%)。3)不同放牧管理模式土壤有机碳、氮储量具有明显的垂直分布特征,随土壤深度的增加土壤有机碳、氮储量明显降低。为期4年不同放牧模式仅对0~40 cm土层土壤有机碳、氮储量有影响。4)土壤有机碳、氮储量主要分布在0~40 cm土层,同时,放牧有使有机碳、氮向深层转移的趋势。5)NG、RG和TG显著提高了高寒草甸生态系统总有机碳、氮储量,而CG显著降低了总有机碳、氮储量,导致有机碳、氮的流失。禁牧和季节性休牧能有效增加青藏高原东缘高寒草甸生态系统有机碳、氮储量,实现碳、氮增汇的目的,是该区和类似区域草地放牧管理的重要模式。     

氮添加对退化高寒草地土壤微生物量碳氮的影响

若尔盖高寒草地生态系统脆弱,对环境因子的改变响应敏感。本试验以若尔盖高寒退化草地为研究对象,在2015-2016年每年返青期,以尿素作为氮源在野外开展控制试验,4个氮处理分别为CK(0g·m^-2·a^-1)、N5(5g·m^-2·a^-1)、N10(10g·m^-2·a^-1)、N20(20g·m^-2·a^-1),分析了氮添加下4个不同退化程度的高寒草地土壤微生物量碳氮以及土壤理化性质的变化规律,探讨若尔盖高寒草地对氮添加的响应机制,旨在为脆弱生境草地的治理与恢复提供参考。结果表明,不同退化草地的土壤微生物量碳氮对氮添加的敏感性随退化程度加剧而逐渐降低。氮浓度20g·m^-2·a^-1处理下土壤微生物量碳氮含量变化趋势发生显著变化:轻度退化草地>未退化草地>中度草地>重度退化草地。相关分析表明,土壤微生物量碳氮与速效磷、硝态氮、全氮、全磷、有机碳具有显著正相关,可在一定程度上表征土壤养分状况。氮添加下,土壤微生物量碳氮与土壤理化性质的相关关系发生变化,尤其在N20处理下土壤微生物量碳、氮与其他理化因子间无显著相关关系,需要进一步从土壤微生物对土壤养分的吸收利用方面解释其原因。氮浓度变化显著改变土壤微生物C/N:CK重度退化草地的土壤微生物量碳氮比显著高于其他3个退化样地。N5和N10条件下不同退化草地土壤微生物C/N无显著差异,而N20处理下未退化草地土壤微生物C/N与CK比显著提高33.7%,而重度退化草地与CK比下降了62.5%,说明氮添加在一定程度上对土壤微生物的组成和群落结构产生了影响。     

大气氮沉降对黄土高原土壤氮特征的影响

为了解氮沉降对土壤氮特征的影响,通过人工氮肥添加模拟试验,分析在不同氮添加梯度下黄土高原典型草原土壤全氮（TN）和轻组有机氮（LFON）含量的变化特征。结果显示,氮添加对黄土高原典型草原土壤0～40 cm土层TN含量没有显著影响(P>0.05);但是显著增加了土壤表层（0～10 cm）的LFON含量和LFON/TN(P<0.05)。氮添加对10～20和20～40 cm的LFON含量和LFON/TN没有显著影响(P>0.05)。本研究表明,在黄土高原典型草原实施氮添加的初期,LFON含量和LFON/TN比TN含量能更早地显示出土壤氮特征的变化。     

有机无机复混肥对小麦大豆轮作体系的影响

以中药渣堆肥等为原料的有机无机复混肥处理,在小麦大豆轮作体系下能够获得比单施化肥处理更高的土壤有机碳含量和土壤全氮含量,可提高土壤微生物量碳氮和土壤微生物学特性,得到土壤健康的生物指标。     

南方种养结合模式对冬季稻田净碳交换和不同土层活性碳氮转化的影响

为探讨不同利用模式下的冬季稻田土壤活性碳氮变化和系统净碳交换变化特征。本研究对冬闲(F)、单种黑麦草(R)、单种紫云英(M)、种黑麦草养鸡(RC)以及种紫云英养鸡(MC)的冬季稻田土壤微生物量碳氮、可溶性碳氮及系统净碳交换量进行了定量分析。结果表明,1)RC和MC短期内增加了系统净碳排放,在早稻播种前,白天总体表现为碳汇(RC为817.38 g/m²,MC为472.90 g/m²);且所有处理对CH₄表现为弱汇(3.06~22.88 mg/m²)。2)R和M固碳量显著高于F和RC、MC处理。3)RC,MC,R和M与F相比显著提高了土壤活性碳氮含量。4)虽然RC和MC土壤微生物量碳平均值低于R和M,但其土壤可溶性碳含量平均值更高。5)R, M, RC, MC提高了土壤有机碳含量,增加了土壤碳汇。综上所述,种养结合既提高了土壤活性碳氮,同时增加了冬季稻田系统固碳量。     

黄河源高寒湿地有机碳组分对不同退化程度的响应

本研究以黄河源区玛沁县大武滩不同退化高寒湿地为研究对象,分层采集冻融丘和丘间土层样品,分析土壤有机碳组分的变化及其与土壤因子的关系.结果表明:冻融丘和丘间各层轻组分有机碳、重组分有机碳、可溶性有机碳、微生物碳含量随着退化程度的加剧下降,且在未退化与轻度退化、重度退化样地冻融丘0～10 cm土层间差异显著(P<0.05)...     

树盘覆盖对早酥梨园土壤有机碳及其组分的影响

以18年生早酥梨园为试材,连续3年开展了玉米秸秆覆盖、黑色地膜覆盖、玉米秸秆 地膜覆盖、玉米秸秆 生物菌肥覆盖和清耕试验,研究5种树盘覆盖方式对丘陵山地早酥梨园土壤有机碳及其组分的影响。结果表明,土壤总有机碳（TOC）含量随土层深度增加而降低,TOC含量增幅最大的是0~30cm土层,效果最明显是玉米秸秆 菌肥覆盖处理,TOC含量比清耕（CK）增加了64.7%。年生长周期内,土壤TOC含量呈现先稳定后降低再升高的趋势,添加秸秆有机物的覆盖处理显著提高了土壤TOC含量,玉米秸秆 菌肥覆盖TOC含量增幅最大,比清耕增加了11.0%。随着覆盖年限的增长,添加秸秆有机物覆盖处理的土壤总有机碳含量、易氧化有机碳（ROC）含量及其占总有机碳的比例、微生物量碳（MBC）含量及其占总有机碳的比例均呈现不同程度的增加,玉米秸秆 生物菌肥覆盖增幅最大,其次为玉米秸秆覆盖和玉米秸秆 黑色地膜覆盖。黑色地膜覆盖增加了土壤可溶性有机碳（DOC）含量及其所占TOC比例。在实际应用中,玉米秸秆 生物菌肥覆盖可用于以培肥为主要目的的覆盖栽培,玉米秸秆 黑色地膜覆盖可用于以增温效应为主要目的覆盖栽培,覆盖材料应本着就地取材原则,以实现农业废弃物利用和果树提质增效的双重效应。     

草地轮作年限和季节对土壤不同组分有机氮含量的影响

为揭示轮作草地不同粒级土壤有机质及其氮含量在时间序列上的动态特征,以有机农牧场低投入蔬菜生产后的5年草地轮作土壤为研究对象,测定不同组分有机质,颗粒有机氮(PON)和非颗粒有机氮(n-PON)含量变化。结果表明:草地轮作5年土壤有机质含量增加18%,土壤总有机氮含量增加20.6%,第5年显著高于第1、3年但低于永久性草地。随着草地轮作年限的增加,土壤总有机氮中PON比例逐渐增加,n-PON比例逐渐降低,冬季n-PON占比小于春、夏、秋季。草地轮作5年土壤PON增加60%,n-PON增加16.5%,且均接近永久性草地含量,春季草地土壤n-PON含量显著高于冬季,季节对轮作草地土壤总有机氮和PON含量无显著影响。PON敏感指示土壤有机氮变化动态,草地轮作提高了土壤有机氮循环强度和有效性。土壤总有机氮、PON、n-PON含量与土壤容重呈极显著负相关,与有效P、K、Ca、Mg含量和阳离子交换量呈极显著正相关。草地轮作5年土壤不同组分有机氮含量发生显著变化,有效改善了土壤养分状况。     

短期放牧对昭苏草甸草原土壤活性有机碳组分的影响

采用小区控制放牧试验,在昭苏草甸草原上研究了短期放牧对土壤有机碳含量、土壤易氧化碳含量及其分配比例、土壤颗粒组分比例、土壤轻组组分比例的影响。结果表明,与对照相比,短期放牧地可以降低0-10 cm土层土壤有机碳含量,但差异不显著(P0.05),增加0-10 cm的土壤易氧化碳分配比例、颗粒组分比例。放牧强度对土壤易氧化碳分配比例、颗粒组分比例的影响波动性较大,而对土壤有机碳、易氧化碳与轻组组分比例的影响不显著(P0.05);初步认为10-20 cm土层易氧化碳、易氧化碳分配比例与颗粒组分比例,尤其是易氧化碳分配比例,可作为昭苏草甸草原土壤有机碳动态的敏感性指标。     

放牧对典型草原土壤有机碳及全氮的影响

以内蒙古锡林河流域羊草Leymus chinensis典型草原作为研究对象,研究不同放牧强度及放牧制度下,土壤有机碳、全氮的含量差异,结果表明:1)土壤有机碳含量大体表现为常年放牧地高于混合放牧地,且差异明显。常年放牧地表现为轻牧重牧中牧围封未放牧地,混合放牧地除"轻牧+割草"与"中牧+割草"在20~30 cm土层深度表现出显著差异以外,各个放牧强度间差异均不显著。土壤有机碳含量随着土层深度的增加而降低。2)土壤全氮在不同的放牧梯度间及不同土层深度间的变化趋势与土壤有机碳大体相同,趋势表现为轻牧重牧中牧围封未放牧地,而混合放牧地的变化趋势比较复杂,相比较常年放牧地,混合放牧地的全氮含量要低。全氮含量随着土层深度的增加而降低。研究结果表明重牧下有机碳含量要高于中牧,这可能是由于随着放牧强度的增加,草原植被C4植物增多而引起的。     

长期封育对内蒙古羊草草地土壤有机碳组分的影响

封育是当前恢复和改良内蒙古草地的重要措施,也是实现草地固碳效应最有效的途径之一。本文利用内蒙古封育32年和自由放牧的羊草草地,分析了其土壤有机碳组分、土壤团聚体和土壤腐殖质组分碳含量的变化,并运用¹³C核磁共振波普法对土壤腐殖质的有机碳组分进行波普分析,探讨了长期封育对羊草草地土壤有机碳组分和土壤有机质结构的影响,期望能为科学地评估长期封育状况下草地固碳效应及其稳定性提供理论依据。实验结果表明:长期封育显著提高了草地土壤有机碳含量;在土壤有机碳组分中,除土壤微生物碳(MBC)含量降低外,其碳组分含量都相应增加。其中,易氧化有机碳(EOC)含量增加最为明显,长期封育草地是自由放牧草地土壤的4.53倍;长期封育显著提高了草地土壤0.25~2 mm团聚体所占比例及其有机碳含量;长期封育提高了草地土壤腐殖质中的胡敏酸碳(HAC)、胡敏素碳(HUC)含量和胡敏酸/腐殖质碳,降低了富里酸碳(FAC)的含量,封育草地土壤的HAC/FAC是自由放牧草地土壤的5.66倍。此外,长期封育草地土壤的脂族碳含量显著增加,芳香度相应增加,疏水碳/亲水碳增大。总之,长期封育不仅提高了草地土壤有机碳贮量,还能改善草地土壤结构、增强土壤有机碳的稳定性。     

短期氮磷添加对荒漠草原土壤活性有机碳的影响

以干旱、半干旱地区荒漠草原土壤为研究对象,研究氮(N)、磷(P)添加对荒漠草原0~30 cm土层土壤溶解性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳含量及有效率、土壤碳库管理指数(CPMI)、敏感指数(SI)的影响,探讨N、P添加后土壤溶解性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳对碳库管理指数的表征作用。结果表明,N添加、P添加或NP共同添加对荒漠草原0~20 cm土壤溶解性有机碳的累积有显著促进作用,但对0~20 cm土壤微生物生物量碳无显著影响。NP共同添加显著增加0~10 cm土层土壤易氧化有机碳。0~30 cm土层N、P添加的土壤溶解性有机碳的各项敏感指数均高于易氧化有机碳,说明土壤溶解性有机碳对短期N、P添加反应最敏感,因此可作为荒漠草原短期N、P添加对土壤有机碳变化的指示物。短期N、P添加能提高碳库管理指数,增加土壤有机质含量,促进荒漠草原土壤恢复。     

封育年限对蒿类荒漠土壤有机碳组分及其碳、氮特征的影响

为探明封育条件下草地土壤有机碳组分的响应规律,研究了不同封育年限(0、1、6、9年)对伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠土壤颗粒碳(POC)、颗粒氮(PON)、轻组碳(LFOC)、轻组氮(LFON)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)的影响。结果表明,伊犁绢蒿荒漠0-5、5-10cm土层POC、PON、LFOC、LFON含量均随封育年限的增加呈先下降再上升趋势,封育6年最低,且仅0-5cm土层显著低于对照和封育9年处理(P0.05);除封育6年10-20、30-50cm土层LFOC及30-50cm土层LFON显著低于封育1年外,10-50cm土层各封育处理间POC、PON、LFOC、LFON均差异不显著(P0.05);0-30cm土层MBC、MBN含量随封育年限增加基本呈先降再升趋势,封育1年最低,且除5-10cm土层MBC外,均显著低于封育9年处理;POC、PON、LFOC、LFON、MBC、MBN间呈显著正相关(P0.05),且PON能够较好地反映土壤质量变化。总之,0-5cm土层土壤有机碳组分碳、氮含量对封育的响应较为敏感,且土壤MBC、MBN较POC、PON、LFOC、LFON在土壤中的反应更为迅速。     

不同恢复措施对退化荒漠草原土壤碳氮及其组分特征的影响

以宁夏盐池县退化荒漠草原为对象,实施深翻耕+补播（SR）、浅翻耕+补播（QR）和禁牧封育（F）恢复措施,同时以传统放牧为对照（CK）,研究不同恢复措施草地 0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm土层土壤总有机碳（SOC）、全氮（TN）及颗粒有机碳（POC）、易氧化有机碳（ROC）、微生物量碳（MBC）、硝态氮（NO₃^--N）、铵态氮（NH₄⁺-N）和微生物量氮（MBN）的变化特征,以探讨不同恢复措施对荒漠草原土壤碳氮及其组分的影响。结果表明：与其他处理相比,QR处理草地的土壤SOC含量（5.50~9.93 g·kg^-1）、土壤TN含量（0.17~0.23 g·kg^-1）、土壤ROC含量（0.53~0.99 g·kg^-1）及土壤MBN含量（62.82~73.20 mg·kg^-1）总体较高;土壤MBC含量（386.00~481.80 mg·kg^-1）及碳、氮各组分占SOC和TN的比例总体以F处理的草地较高;不同恢复措施草地各土层土壤POC、NH₄⁺-N和NO₃^--N含量较CK均有所下降。相关分析表明：SOC含量分别与TN、ROC含量呈极显著正相关（P<0.01）,与MBC含量呈显著负相关（P<0.05）。基于土壤碳、氮固存,在所有的处理中,浅翻耕+补播是退化荒漠草原恢复较为有效的措施。     

放牧对土壤碳、氮含量空间变异的影响

本研究检测了不同放牧强度下荒漠草原淡栗钙土的碳、氮含量,应用地统计学方法分析放牧强度对土壤碳、氮空间变异的影响。结果表明,土壤碳、氮均属中等变异程度。土壤碳、氮含量随放牧强度的加大而呈现减少的趋势。未放牧、中度放牧以及重度放牧的土壤碳、氮的空间变异主要是由区域因素引起的,空间变异大;而轻度放牧土壤碳、氮的空间变异是区域因素和放牧等随机性因素共同作用的结果,属中等程度的空间相关性。土壤碳、氮的变异总体表现为未放牧>轻度放牧>中度放牧>重度放牧。中度放牧和重度放牧后土壤碳、氮低含量斑块面积随着年度递增而增加。内蒙古四子旗短花针茅（Stipa breviflora）荒漠草原适合轻度放牧。