土壤冻融交替生态效应研究进展

土壤冻融作用是高纬度和高海拔地带性土壤热量动态的一种表现形式.国际上关于冻融的研究多集中在北方高纬度地带,特别是苔原、泰加林和北极生态系统,越来越集中在全球变化对冻融生态系统土壤过程的效应方面.已有研究表明冻融作用会引起土壤团聚结构破坏并导致冻融侵蚀、土壤溶液中养分浓度升高而导致土壤养分流失、土壤解冻后还可能导致土壤呼吸和N素矿化以及一些痕量气体短时间释放增加等,这些研究表明了冻融过程对土壤物理、化学、生物等各方面的效应.我国有大面积北方季节性地带冻土和青藏高原高海拔冻土,而在土壤冻融作用及生态效应方面的工作较少,值得关注和深入研究.     

土壤冻融作用对植物生理生态影响研究进展

土壤冻融作用是季节性冻土区和多年冻土区常见的自然现象,主要是指由于土壤温度变化而出现的反复冻结解冻过程。冻融作用不仅影响土壤的理化和生物学性质,而且还会改变植物的生理生态过程,从而可能对冻土广泛分布的高纬度和高海拔地区植被生态系统生产力产生重要影响。本文重点论述了土壤冻融对植物地上和地下部分生理生态过程的影响效应以及全球变化背景下高寒植被生态系统对不同冻融格局的响应特征,总结了不同气候环境条件及生境胁迫下植物光合作用、生物量和生产力、根系生长及其对水分和温度胁迫响应等的生理生态表现,同时对当前土壤冻融与植物生理生态领域研究存在的不足进行了阐释,提出全球变化背景下频繁的土壤冻融作用将强烈改变植被生态格局和功能,并指出这种改变在高寒生态系统中表现将更为显著。     

科尔沁沙丘-草甸梯级生态系统CO_2,CH_4和N_2O通量特征

为了明确科尔沁沙丘—草甸梯级生态系统中不同生态系统生育期内温室气体通量变化规律及其影响因素,采用静态箱—气相色谱法,于2017年5—10月对呈梯级分布的半流动沙丘、半固定沙丘、人工林地、农田(玉米)和草甸湿地CO_2,CH_4和N_2O通量进行了原位观测,并同步测量取样点的土壤温度、土壤含水量、土壤总有机质含量、总磷含量和总氮含量。对温室气体通量及其影响因子之间进行了相关分析,结果表明:科尔沁沙丘—草甸梯级生态系统上温室气体通量均具有明显的季节性变化,温室气体通量受到土壤含水量和土壤温度的显著影响,二者共同作用促进了温室气体通量的吸收或排放。在干旱半干旱地区,土壤含水量显著影响着土壤温室气体通量对土壤温度的敏感性,土壤温室气体通量随着温度的增加而增大,同时土壤含水量超过田间持水率时,土壤温室气体通量又会随着土壤含水量的增大而降低,从而影响土壤温室气体通量对土壤温度的响应。CO_2通量的温度敏感性(Q_(10))表现为:农田(4.18)草甸湿地(2.87)人工林地(2.51)半固定沙丘(2.41)半流动沙丘(2.36)。CO_2排放峰值出现在水热条件较好的7月、8月,其中8月22日附近的排放峰值明显高于7月21日附近的排放峰值。3种温室气体通量均值呈现出梯级变化(换算为CO_2):半流动沙丘[181.65 mg/(m~2·h)]半固定沙丘[242.16 mg/(m~2·h)]人工林地[348.33 mg/(m~2·h)]农田[405.72 mg/(m~2·h)]草甸湿地[(487.63 mg/(m~2·h)]。试验区土壤总有机质含量、总磷含量也呈现出相同的梯级变化,生育期CO_2通量与土壤中总有机质含量和总磷含量呈极显著正相关(p0.01)。生育期内N_2O通量的变异对土壤温度的响应更强烈。     

全球环境变化对土壤N2O排放影响的研究进展

全球环境变化一直是人们广泛关注的热点问题,由人类活动和化石燃料燃烧引起的温度持续升高、温室气体排放增加、极端天气频繁发生等现象对土壤理化性质及微生物活动产生深刻影响。N₂O作为一种具有强增温潜势的温室气体,对生态环境造成极大威胁。因此,全面深入地探究全球变化下不同环境因子对土壤N₂O排放的影响有重要意义。论文综述了模拟全球变暖、CO₂浓度倍增、降水格局改变以及氮沉降对土壤N₂O排放的影响及微生物作用机制,阐述不同变化因子对N₂O排放的交互效应。温度升高、CO₂浓度增加和氮沉降均能促进N₂O排放,但不同变化因子交互作用对N₂O排放的影响存在差异。未来应加强对多个变化因子交互作用的研究,不仅有助于进一步了解N₂O产生的影响因素,而且能为将来土壤生态系统对全球环境变化的响应研究和预测模型的建立提供理论基础。     

冻融对土壤氮素转化和N2O排放的影响研究进展

在中、高纬度及高海拔地区,土壤冻融现象常有发生。冻融作用通过影响土壤理化性质和生物学性状进而影响土壤氮素转化过程及N₂O的产生和释放,但迄今关于冻融对土壤氮素转化过程影响的研究结果还不尽一致,正效应或负效应均存在,土壤冻融期间N₂O排放对全年N₂O排放总量的贡献程度也存在着较大差异。本文重点论述了土壤冻结或冻融循环过程对土壤氮矿化、固持、硝化和反硝化等主要氮素转化过程的影响机制,同时分析了可引起冻融期间N₂O排放强度变化的四种可能机理（禁锢-释放、环境-底物诱导、N₂O还原酶抑制和化学反硝化增强）。指出在全球变暖背景下研究土壤冻融格局改变影响土壤氮素转化过程及N₂O排放的必要性,并简要提出了若干理论问题及研究方向。     

红外加热对大豆生态系统CO_2排放的影响

通过田间试验,采用静态箱-气相色谱法测定CO2排放通量,研究红外加热增加叶面温度对土壤、大豆-土壤系统CO2排放的影响。结果表明,红外加热叶面增温2℃促进了土壤CO2的排放,在鼓粒-成熟期对照与增温的排放通量分别为202.09±28.75、378.34±156.17mg·m-2·h-1,增温处理使CO2排放通量增加了87.21%,但未达到显著水平;增温使土壤CO2累积排放量显著增加了39.96%。对照和增温的大豆-土壤系统呼吸的气温敏感性系数Q10值分别为0.68和2.54,土壤呼吸的土壤温度Q10值分别为4.22和1.68。研究表明,增温能促进土壤CO2排放,增加大豆-土壤系统呼吸的Q10值,降低土壤呼吸的Q10值。研究结果可为气候变化条件下估算区域农田温室气体排放提供一定的科学依据。     

季节性冻融对色季拉森林土壤团聚体稳定性的影响

为分析季节性冻融对土壤团聚体稳定性的影响,以藏东南色季拉山森林土壤为研究对象,通过野外控制性试验利用湿筛法测定团聚体组成,分析了0—10 cm, 10—20 cm, 20—30 cm深度土层各粒径团粒结构变化,以及土壤含水量(SWC),0.25 mm水稳性团聚体含量(WSA)、平均质量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)、分形维数D、可蚀性K值各指标之间的关系。结果表明：(1)季节性冻融导致大团粒含量减少,小团粒含量增加,土壤结构失调。(2)含水量是影响团聚体稳定性的重要因素之一。(3)季节性冻融作用整体上导致MWD,GMD变小,D值与K值变大,降低了土壤团聚体稳定性。(4)当土壤冻融次数在一定范围内STF-One中,WSA有所增加,土壤稳定性有所增强。(5)土壤团聚体WSA,MWD和GMD均与D值和K值呈负相关。(6)在SFT-Ys类型土壤中土壤结构变化,0.5 mm粒级是重要临界点。综上,研究为季节性冻融对土壤稳定性的影响提供数据支持,为冻土潜在受侵蚀情况提供理论依据。     

水肥管理对稻田CH4排放及其全球增温潜势影响的评估

甲烷(CH_4)是主要温室气体之一,对全球增温的作用仅次于二氧化碳(CO_2)。稻田是CH_4的重要排放源,减少稻田CH_4排放对减缓气候变暖具有直接效应。为此,掌握稻田CH_4排放的规律和特征对控制和减少稻田CH_4排放尤为重要。为了解稻田温室气体排放的主要影响因子及影响程度,估算稻田温室气体全球增温潜势,寻求农田减排措施,我们通过收集已发表的文献建立了稻田CH_4排放的数据库,采用析因分析与回归分析方法对稻田CH_4日排放量和全球增温潜势特征和可能的影响因子进行了分析。结果表明,稻田CH_4日排放量和增温潜势均随土壤有机质背景含量的升高而增加,不同类型稻田CH_4日排放量大小依次为:双季稻晚稻双季稻早稻单季稻稻麦轮作晚稻;晚稻田CH_4的增温潜势大于早稻田。不同肥料处理条件下,稻田CH_4日排放量表现为:秸秆还田配施有机肥化学氮肥≈生物炭。控制灌溉水量可降低稻田CH_4的综合增温潜势,表现为:持续淹水晒田干湿交替控制灌溉。研究结果说明,稻田CH_4的产生与排放过程受土壤有机质含量、肥料管理和水分管理以及轮作制度等多种因素的共同影响,应依据不同土壤条件和种植制度,适当调整肥水管理,以减少稻田温室气体排放,降低其增温潜势。     

干旱区季节性冻土冻融状况及对融雪径流的影响

利用天山北坡季节性冻土区的军塘湖流域观测场2013年和2014年冻融期冻土深度及各层土壤的温湿度数据,研究季节性冻土的冻融规律及冻融过程中土壤含水量的变化特征,探讨各层土壤水分分布及迁移特征对融雪径流的影响。结果表明:冻融过程中冻土深度会发生变化,且温度不同冻融速率不一;土壤水分的迁移受制于土壤温度的变化,特别是表层10cm土壤温湿度相关性极大;对比2013年,2014年数据,土壤表层10cm内的含水量变化会对融雪水的下渗有调控作用,从而影响下垫面的径流量。研究季节性冻土冻融过程及对融雪径流的影响,会对准确预报融雪性洪水有重要意义。     

土壤含水率对季节性冻土入渗特性影响的试验研究

基于季节性冻融期不同土壤含水率条件下的冬小麦田单点入渗试验,讨论了土壤含水率对冻融土壤水分入渗能力和入渗率的影响以及不同冻融阶段土壤入渗特性的变化。结果表明季节性冻融期土壤含水率对冻融土壤入渗特性的影响显著。土壤入渗能力随土壤含水率的升高而减小;冻融土壤累积入渗量随土壤含水率的变化符合幂函数规律;高土壤含水率导致的水力传导度减小是冻土入渗能力降低的主要原因。研究结果对于季节性冻土分布区农田冬春灌溉、确定合理灌水技术参数及水资源合理利用提供了参考。     

冻融交替对土壤CO2排放影响的研究进展

在全球气候变暖背景下,愈加广泛和频繁的冻融现象将会对土壤碳的生物地球化学循环过程产生深远的影响,因此归纳总结冻融作用对土壤二氧化碳（CO₂）排放的影响,可为科学揭示冻融作用对土壤CO₂排放的影响机理提供理论支撑。在总结相关文献的基础上,系统地分析了冻融格局（冻融温度、循环次数及持续时间等）对土壤CO₂排放量的影响,并从土壤理化性质、土壤微生物等方面归纳总结土壤CO₂排放对冻融作用的响应机制。冻融作用能降低土壤团聚体稳定性,促进溶解性有机碳的释放,并能够使微生物的数量降低,细胞破裂,释放碳氮营养物质以供存活的微生物利用,从而促进土壤CO₂排放的增加,且与冻结温度和冻融循环次数密切相关。但由于生态系统类型、土壤理化性质、冻结温度等的差异,冻融作用也可能会促进土壤团聚体稳定性增加,抑制活性碳的释放和微生物的活性,减少土壤CO₂的排放。虽然目前已有研究能够对冻融作用对土壤CO₂排放的影响及其驱动机制作出初步解释,但由于存在实验参数缺乏原位性、对土壤微生物的研究不够深入和数据难以量化等不足,致使研究结果存在较大的差异和不确定性,因此还需进一步深入研究。     

极端干旱区土壤呼吸对储水灌溉和冻融循环的响应

[目的] 揭示中国极端干旱区甘肃省石羊河流域储水灌溉与季节性冻融叠加作用下对土壤呼吸的影响,为进一步提高极端干旱区灌溉水资源利用效率和节约灌溉水源提供理论基础和技术支撑。[方法] 按照1 199.4 m³/hm²低灌溉定额分为灌水和非灌水处理,将冻融循环分为冻结期、冻融期和解冻期3个时间段,采用LI-8100土壤碳通量全自动测量系统对各处理地块的土壤呼吸速率进行观测与分析。[结果] 极端干旱区储水灌溉在季节性冻融作用下农田生态系统土壤呼吸速率增强,土壤碳排放量增加,农田生态系统碳循环被改变,有利于作物的生长和提高粮食产量。不同土地利用方式下土壤呼吸速率对水分和温度的响应程度不同。整个冻融过程中土壤呼吸速率呈现出：解冻期>冻结期>冻融期的规律。冻结期、冻融期和解冻期3个时期的土壤CO₂都表现为源,但在夜间极低温度时土壤CO₂由源转化为汇。[结论] 储水灌溉调控了整个冻融期土壤呼吸的过程,改变了极端干旱区农田生态系统的碳循环。在水分与季节性冻融叠加作用下,储水灌溉地块土壤呼吸速率相对未储水地块随温度的波动更为剧烈,但与温度的变化趋势一致,水分加剧了其随温度的波动。     

氮肥高效施用在低碳农业中的关键作用

低碳农业是我国集约化农业发展的必然趋势。深入理解氮肥高效施用是实现低碳农业的关键,可以更加明确如何集成优化农业管理措施增加产量、减少农田生态系统碳排放、提高土壤固碳效应,综合实现固碳、减排、增产的低碳农业发展目标。本文概述了低碳农业评价指标的三个阶段性研究特点,从田间温室气体排放的综合温室效应拓展为涵盖固碳效应的净温室效应,再拓展为涵盖生命周期评价碳排放的综合净温室效应以及兼顾作物产量的温室气体强度。提出了如何利用当季作物试验来估算农田生态系统净碳收支、结合生命周期评价当季作物综合净温室效应和单位产品温室气体强度的方法。按照现阶段低碳农业的评价指标,以我国稻–麦轮作生态系统集约化生产的低碳农业模式为案例,解析氮肥施用在低碳农业各组成包括作物产量、固碳效应、CH₄和N₂O排放、农业措施碳排放中的重要作用,明确氮肥高效施用在农田生态系统综合净温室效应和温室气体强度中的关键作用,从而实现低碳农业可持续发展。     

青海湖流域高寒草甸季节冻土土壤温湿变化特征

根据2018—2020年青海湖流域高寒草甸野外定点监测的温度、降水、土壤水热数据，分析了高寒草甸生态系统土壤冻融特征以及不同冻融阶段土壤温度、水分的日变化和季节动态过程。结果表明：(1)基于土壤温度变化特征分析，可将冻融循环过程划分为始冻期、完全冻结期、解冻期和完全融化期。各阶段持续的天数长短依次为：完全融化期>完全冻结期>解冻期>始冻期。从表层到深层土壤，完全融化天数持续增大，完全冻结天数趋于减小，0～180 cm土层完全融化期持续天数超过半年以上。(2)冻土表现出单向冻结、双向融化的规律，土壤融化速率(5.45 cm/d)快于土壤冻结速率(2 cm/d)。整个冻融过程，不同深度土壤水分的变化比温度的变化更复杂。(3)随着冻融循环过程，土壤温湿度呈现出周期性的季节变动特征。土壤温湿度日变化具有一致性，表层日较差大，随着深度的增加，日较差变小并趋于稳定。土壤剖面的结构特征对土壤水分异质性分布具有较强的解释性。     

冻融条件下土壤水分和速效磷垂直迁移规律

中国东北地区土壤普遍受到的季节性冻融作用会影响土壤中速效磷和水分的垂直分配。通过室内模拟冻融环境,分析了冻融循环条件下黑土速效磷和土壤水分的垂直变化。结果表明:多次冻融循环作用使土壤速效磷随着土壤水分由下层向表层迁移,经30次冻融循环作用后土壤最大含水率和土壤最大速效磷含量均出现在3 cm层;土壤初始含水率越高,冻融作用后向土壤表层迁移的速效磷含量越大,但随着冻融循环次数增加,土壤各层速效磷含量都有所下降,1次冻融作用后,土壤速效磷的最高含量为50.63 mg/kg,30次后最高含量为43.81 mg/kg,减少了13.5%;利用多元回归分析分别得出了冻融循环后土壤含水率和速效磷与初始含水率、冻融循环次数和土层深度的关系函数,相关系数分别为0.892,0.578。上述研究成果为季节性冻融区非点源污染及土壤盐碱化防治奠定理论基础。     

冻融循环对黑土团聚体稳定性与微结构特征的影响

冻融循环作用下的土壤结构变化被认为是融雪期黑土坡面土壤侵蚀加剧的主要原因之一,土壤团聚体稳定性与团聚体微结构是影响土壤可蚀性的关键因子.基于控制条件土壤冻融模拟试验,采用湿筛法、扫描电子显微技术(SEM)和Image-Pro Plus(IPP)图像分析处理相结合的方法,分析了冻融循环过程中黑土团聚体微结构的动态变化特征...     

冬季增温对东北农田黑土氮磷有效性的影响

为探究全球气候变暖对东北农田黑土氮、磷有效性的影响,该研究以东北农田黑土为研究对象,采用红外辐射增温技术模拟气候变暖（增温5 ℃）,将样地分为增温组（W）和对照组（C）来进行野外原位试验,通过测定土壤温度、土壤湿度、冻融循环次数、积雪厚度、冻结深度、铵态氮（ammonium N,${\rm{NH}}_4^+-{\rm{N}}$）、硝态氮（nitrate N,${\rm{NO}}_{3}^{-}-{\rm{N}}$）、全氮（total N,TN）、微生物量氮（microbial biomass N,MBN）、速效磷（available P,AP）、全磷（total P,TP）浓度,分析不同指标在冬季增温下的动态变化过程及其响应。结果表明：冬季增温显著提升土壤温度和含水率,进而增加土壤的冻融循环次数,并且减少了土壤积雪深度和冻结深度,使冻结时间点延后和融化时间点提前。增温组土壤相较于对照组,经过整个冬季后,土壤${\rm{NH}}_4^+ -{\rm{N}}$、${\rm{NO}}_{3}^{-}-{\rm{N}}$、TN、MBN和TP浓度分别降低126.38%、146.98%、51.23%、21.48%和12.61%, AP浓度提升了25.54%（P<0.05）。在冬季增温过程中,各时期土壤温度的提升会对土壤有效养分产生显著影响,导致在融化期氮素大量的流失。研究结果可为后续春季合理高效施肥,改善东北农田土壤质量提供理论基础。     

Soil microbial abundance and community structure vary with altitude and season in the coniferous forests,China

Purpose

Soil microbes control the bioelement cycles and energy transformation in forest ecosystems, and are sensitive to environmental change. As yet, the effects of altitude and season on soil microbes remain unknown. A 560 m vertical transitional zone was selected along an altitude gradient from 3023, 3298 and 3582 m, to determine the potential effects of seasonal freeze-thaw on soil microbial community.

Materials and methods

Soil samples were collected from the three elevations in the growing season (GS), onset of freezing period (FP), deeply frozen period (FPD), thawing period (TP), and later thawing period (TPL), respectively. Real-time qPCR and polymerase chain reaction denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) were used to measure the abundance and structure of soil microbial community.

Results and discussion

The bacterial, archaeal, and fungal ribosomal DNA (rDNA) copy numbers decreased from GS to freezing stage (FP and FPD) and then increased in thawing stage (TP and TPL). Similarly, the diversity of microbial community varied with seasonal freeze-thaw processes. The diversity index (H) of the bacterial and archaeal communities decreased from GS to FP and then increased to TPL. The fungal community H index increased in the freezing process.

Conclusions

Our results suggested that abundance and structure of soil microbial community in the Tibetan coniferous forests varied by season and bacterial and archaeal communities respond more promptly to seasonal freeze-thaw processes relative to fungal community. This may have important implications for carbon and nutrient cycles in alpine forest ecosystems. Accordingly, future warming-induced changes in seasonal freeze-thaw patterns would affect soil nutrient cycles via altering soil microbial properties.