2010−2020年草地土壤氮循环研究现状与发展趋势

氮素是蛋白质、核酸、叶绿素等物质的主要组成成分,是限制生态系统功能的主要因子;氮循环作为土壤生态系统元素循环的核心之一,将草地生态系统与社会、环境联系起来,尤其是氮的投入对于草地生产力的高低至关重要.但是,土壤氮素的损失会降低环境质量、影响人类生活.因此,研究草地土壤氮循环对维持草地生态系统的结构和功能、促进人与自然和谐共生具有重要意义.本文基于Citespace软件,对Web of Science核心合集数据库2010?2020年草地土壤氮循环方面文献进行计量分析.结果表明,国内外在氮循环方面的研究呈不断上升趋势,国内外研究需进一步加强合作以提高文章质量.此外,本文系统综述了生物因子(植物、微生物)、人类活动(放牧、火烧、开垦、刈割等)和非生物因子(大气氮沉降、增温与CO2浓度升高、降水)对草地土壤氮循环过程的影响.基于上述背景,对未来亟待研究的问题进行探讨和展望,提出要注重全球变化因子耦合作用下,对草地土壤氮循环区域尺度上的长期研究,完善氮循环模型,实现草地的可持续发展.     

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。     

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。     

放牧对青藏高原高寒草地氮循环过程影响的研究进展

氮循环在草地生态系统的各种元素转化中发挥着重要作用。放牧是对青藏高原高寒草地最主要的利用方式之一，家畜可以通过采食、践踏和粪尿排放对氮循环产生一定的影响，进而影响草地生态系统的功能。本文利用Cite space软件，对CNKI和Web of science核心数据库收录的2001～2021年期间关于放牧对青藏高原高寒草地氮循环的影响方面的文献进行计量分析，结果表明：国内外在放牧对青藏高原高寒草地氮循环方面的研究呈不断上升趋势，英文文献的发文量较多，且多发表在具有影响力的高级期刊上。经关键词聚类和突现分析发现，适度的放牧能够保持较高的植物多样性，增加氮的矿化速率，且对轻度退化的草地具有一定的修复作用。过度放牧使土壤容重增加，土壤透气性减弱，反硝化速率降低，最终导致土壤总氮含量下降。在放牧制度方面，与连续放牧相比，划区轮牧或者季节性休牧下的草地，植物均匀度、土壤含水量、全氮、全磷等均有所增加。经关键词突现分析发现，该领域的研究正在发生由地上部分到地下部分、由宏观到微观研究的转变，预测在未来的几年放牧对高寒草地地下生态学的研究会成为一大热点。     

草地利用方式对呼伦贝尔草地微生物群落结构的影响

草地土壤微生物是维持生态系统养分循环功能的关键要素,也是指示草地生态系统变化的敏感指标.通过对呼伦贝尔草地围封、刈割、放牧和开垦4种利用方式下的土壤微生物群落组成及土壤理化性状的研究,了解草地利用方式对草地微生物群落的影响.结果表明:1)草地开垦为农田后土壤全碳(TC)、全氮(TN)含量分别降低了41.45％和45.0...     

青藏高原草地生态系统碳循环研究进展

青藏高原属于气候变化的敏感区和生态脆弱带,对气候变化和人类活动扰动十分敏感,在未来全球碳循环调控中发挥着重要的作用。为增进对青藏高原高寒草地生态系统碳循环的理解,综述了近10年来气候变化、氮沉降和人类活动干扰下青藏高原温室气体排放、土壤碳库变化以及模型模拟应用等方面的最新研究进展。概括出高寒草地生态系统碳循环研究的草地类型主要包括高寒草原、高寒草甸、灌丛草甸草原、沼泽化草甸以及高寒湿地等。阐述了温室气体产生的机理、青藏高原高寒草地碳循环的源汇关系,指出温度升高、放牧、氮沉降是影响青藏高原温室气体排放、土壤碳库变化最重要的外界扰动,但是温室气体排放、土壤碳库对这3个因子之间协同作用的响应目前还不清楚。现有的高寒草地生态系统碳循环模型,主要以植被类型为基础,大多只考虑了水热因子,很少包含土壤因子和生物因子及其协同作用的影响。在此基础上,指出未来拟加强的研究重点: 1)冻融交替过程土壤温室气体排放研究; 2)非生长季土壤呼吸作用研究; 3)碳循环和植物物候耦合研究; 4)高寒草地生态系统碳循环模型的开发。     

植物对有机氮源的利用及其在生态系统中的意义

氮是植物生长发育的必需营养元素,也是其主要的限制因子之一。陆地生态系统植物的氮需求量来源及植物对氮素的吸收利用均受控于其种类和生长环境。环境条件的改变,一方面可能改变了植物生长区原有的氮形态、浓度、赋存方式等,从而改变氮对植物的供给状况;另一方面可能引起植物生长区域土壤质量、水分利用状况、光照等的改变,产生耦合现象,从而直接影响植物的生理生态特性,使植物对氮素的吸收利用发生了改变,导致植物生长区的种群类型及物种多样性发生改变,并直接影响到生态系统的功能及演替。本文主要对生态系统中植物生长发育所需氮素的来源及植物对氮素吸收利用过程中的影响因素进行了综述和讨论,并结合国内外在该领域的研究现状对其研究前景进行了展望。     

菊科植物改变土壤氮素的可利用性

生物入侵破坏入侵地生态系统的群落结构和稳定性、阻碍农林牧渔业生产、危害人类健康。我国已成为外来生物入侵最严重的国家之一，现有402种入侵植物。菊科、豆科、禾本科构成我国外来入侵植物的主体，其中菊科入侵植物约有107种，广泛分布于我国各省(区)。菊科入侵植物因其独特的生物学特性(如生长发育快、成熟早、种子产量高且易于传播等)而具有高度的入侵性。本文综合分析了国内外38篇共211个关于菊科入侵植物对土壤氮素含量影响的案例。结果发现，菊科植物入侵后，85%以上的案例中土壤总氮、铵态氮、硝态氮等氮素含量显著(P <0.05)增加，其中紫茎泽兰(Ageratina adenophora)对土壤氮素含量的影响最大。菊科植物入侵可通过释放化感物质、分解凋落物和改变土壤氮循环微生物种类和数量来改变土壤氮素含量，从而对本地生态系统的氮养分资源造成极大影响。土壤氮是限制植物生长的最主要因素，通过研究菊科入侵植物对土壤氮素含量的影响能帮助理解土壤氮在入侵过程中的重要作用，促进完善外来植物的入侵机制。     

地下生态系统中氮素的循环及影响因素

氮素是陆地生态系统初级生产力的主要限制因子之一。地下生态系统中绝大部分氮素以不溶的聚合物形式存在,不能直接被植物吸收,因此其转化为可吸收的离子氮的生态过程受到人们越来越多的关注。本文主要综述了土壤生物与非生物两个自然因素在地下生态系统氮素循环过程中发挥的重要作用。土壤生物通过自身代谢和分泌各种酶类来加速各种形态氮素相互转化;植物根系可以通过影响土壤物理结构和分泌大量有机物质,实现与地下生态系统氮素循环之间的"相互交流";而由于生物生存与环境因子有直接联系,二者之间的相互作用也对土壤氮素循环起着特殊作用。目前,由于土壤生物种类繁多、营养流通途径复杂、分子生物学实验技术较昂贵以及在全球气候变化背景下对许多自然规律的响应变化认识有限,因此,尚不能完全在分子水平形成一张氮素在地下生态系统的流通网络图,这应该成为今后相关研究工作的方向和重点。     

Meta分析放牧对中国草地土壤氮素矿化和硝化作用的影响

氮素矿化和硝化作用对草地土壤氮素转化过程具有重要影响。放牧干扰影响草地土壤氮素矿化和硝化作用。本研究基于Meta分析方法，对已开展的59个放牧影响中国草地土壤氮素矿化作用、55个放牧影响中国草地土壤氮素硝化作用影响的试验结果进行整合分析。结果表明：放牧降低草地土壤氮素矿化、硝化作用，平均效应值分别为—0.09和—0.08,降幅分别为8.61%和7.69%,但均未达到显著性检验水平；不同放牧强度对草地土壤氮素矿化作用和硝化作用平均效应值的影响呈现出轻度放牧>重度放牧>中度放牧；土壤全氮含量显著影响矿化作用平均效应值，可解释4.91%的效应值变异；土壤有机碳和全氮含量显著影响硝化作用平均效应值，分别可以解释18.35%和19.17%的效应值变异。本研究旨在为明晰放牧草地氮素循环提供理论基础。     

林火强度对兴安落叶松林土壤氮循环功能基因的影响

为了探究林火强度对土壤氮素循环的影响,本研究以内蒙古大兴安岭兴安落叶松林火烧迹地为研究对象,通过DNA提取及定量PCR分析测定了不同火烧强度样地内土壤氮循环功能基因丰度以及土壤基本的理化性质。结果表明：固氮nifH功能基因丰度随着火烧强度的增加而减少,而硝化amoA-AOA和amoA-AOB功能基因丰度呈相反变化趋势;反硝化nirS,nirK和nosZ功能基因丰度在重度火烧后显著降低,在轻度火烧后显著升高。火烧同样也会对土壤基本理化性质产生显著影响,RDA分析和Pearson相关性分析表明土壤氮循环功能基因与土壤理化因子之间存在密切的联系,有机碳、速效磷、全氮含量和pH值是影响火后土壤氮循环功能基因差异变化的主要因子。本研究为火干扰对土壤氮素循环的影响机制和火后植被快速更新提供数据支撑。     

氮素添加对土壤呼吸影响的研究进展

碳、氮循环是陆地生态系统化学循环和能量流动的两大重要过程,二者紧密相连;土壤呼吸是陆地碳循环的重要过程,也是陆地生态系统与大气之间进行交换的主要途径。由于施肥等人为因素导致了陆地生态系统氮素的增加。不同陆地生态系统对这一过程做出了不同的响应。综述了不同生态系统土壤呼吸对模拟氮沉降的响应方式和机理,分析了氮素添加对土壤呼吸影响的不确定性,并在此基础上对未来研究方向进行了探讨和展望。     

冻融与氮输入对草地土壤氮转化和氧化亚氮排放的影响

冻融通过改变土壤理化和生物学特性成为影响土壤氮转化及N₂O排放的重要因素。冻融期外源氮输入将进一步改变土壤氮素有效性，从而可能对土壤氮转化过程及N₂O排放产生更为复杂的影响。但关于土壤冻融与氮输入耦合作用对草地土壤氮转化和N₂O排放的影响效应和作用机制尚不清楚。本文系统论述了冻融作用、外源氮输入以及两者耦合作用的特性及其影响下的草地土壤氮转化和N₂O排放特征，指出土壤冻融格局与氮转化过程关系密切，春季冻融期是N₂O排放的关键期，对全年N₂O排放具有重要贡献。冻融频次增加、冻结强度增大以及冻结持续时间延长有利于土壤氮矿化速率加快。氮输入通过增加土壤氮素供应，增强微生物活性进而促进氮的矿化、硝化及N₂O排放。冻融与外源氮的耦合效应具有复杂性，气候条件、冻融格局、以及外源氮含量和类型等的不同易导致草地土壤氮转化和N₂O排放通量的差异性响应。研究结论有助于加深关于土壤冻融与氮输入对草地生态系统氮素生物地球化学循环影响效应...     

微生物介导的氮循环过程研究进展北大核心CSCD

氮素是控制大多数陆地生态系统中植物生长和初级生产的关键限制性营养元素,氮循环是生态系统元素循环的核心之一,随着生物地球化学循环研究方法与分子生态学技术的广泛应用,极大的推进了对氮循环的研究,使得对氮循环的机制和过程有了重新的认识。本文从氮循环的4个关键环节(固氮作用、硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用)入手,介绍了每个过程的研究进展,同时,展望了未来氮循环的研究方向,以期为氮循环关键过程的了解和氮素的管理与调控提供理论依据。     

青藏高原退化高寒草地土壤氮矿化特征以及影响因素研究

为了明确青藏高原退化高寒草地土壤氮矿化特点以及影响因素,以高寒草甸和高寒草原为研究对象,运用原位培养法对健康与退化条件下2类型草地中土壤硝化速率、氨化速率以及氮素转化微生物、植物和土壤等因子进行了研究。结果表明:1)草地退化显著降低了高寒草甸和草原土壤净硝化速率和净氨化速率;2)草地退化降低了2类高寒草地土壤硝化细菌和氨化细菌数量,降低了土壤蛋白酶、脲酶活性;3)草地退化显著降低了NH₄-N和NO₃-N含量,降低了微生物生物量氮含量。相关分析表明,高寒草地中土壤硝化速率和氨化速率与土壤硝化细菌和氨化细菌的数量以及蛋白酶和脲酶密切相关。植物生物量、土壤含水量、有机碳、全氮含量通过影响微生物数量、微生物生物量及酶活性而成为影响土壤氮素转化的主要因素。因此,草地退化通过降低高寒草地硝化细菌和氨化细菌、土壤酶活性而降低土壤氮素转化速率和土壤有效氮的供给。     

10年禁牧未改变藏西北高寒荒漠植物水氮利用效率

在气候变化和过度放牧影响下,高寒草地退化日趋严重。当前,围栏封育作为退化草地生态恢复的主要措施之一,其对植物功能性状和生理过程影响的研究相对较少。以藏西北荒漠草原植物为对象,选取植物叶片碳(LCC)和氮含量(LNC)及稳定同位素组成(δ¹³C和δ¹⁵N)来表征植物水分利用效率(WUE)和氮素利用效率(NUE),以期探明围栏封育对高寒荒漠草原植物WUE和NUE的相对影响。结果表明:1)高寒荒漠草原不同功能群植物间LCC、LNC、δ¹³C和δ¹⁵N存在差异;2)在植物群落和功能群水平上,围栏封育对LCC、LNC、δ¹³C和δ¹⁵N均无显著影响;3)土壤含水量和pH值是影响荒漠植物叶片δ¹³C的主要因子,表明植物内在WUE主要受土壤因素的调控。生长季气温是影响叶片δ¹⁵N的主导因子,表明气候条件是影响藏西北荒漠草原生态系统氮循环的主导因素;4)荒漠草原植物WUE和NUE之间无明显权衡关系。综上所述,短期围栏封育并不会显...     

施肥对羊草草原土壤氮素转化的影响

施肥是常用的草地管理方式之一,对维持草地生产力和草地生态系统健康至关重要。本文以河北沽源羊草草原为对象,设置了5种施肥处理,研究了施肥对半干旱羊草草原土壤氮素形态及转化特征的影响。结果表明:在牧草整个生长季,氮磷配施处理土壤铵态氮和硝态氮含量低于相应的单施氮肥处理。氮肥施入改变了草地土壤氮矿化模式。在5-8月氮素添加各处理的土壤硝化作用强烈,明显高于其他处理,氮素添加处理土壤净氮矿化量在5-7月较大,其矿化量占整个生长季的57.58%~68.97%。土壤铵态氮含量与土壤硝态氮含量、净硝化量、净矿化量、土壤温度和土壤水分均存在显著正相关关系(P<0.05),土壤硝态氮含量与土壤温度有极显著正相关关系(r=0.491,P<0.01)。高氮添加处理增加了硝态氮淋溶损失和污染环境的风险。     

短期氮添加对山西右玉黄土高原盐渍化草地氨挥发的影响

氨挥发是草地生态系统土壤氮素损失的主要途径.掌握氨挥发特征及其与环境要素之间的关系,能够为盐渍化草地养分管理策略制定等提供依据.试验采用间歇密闭室抽气法,测定黄土高原盐渍化草地短期添加氮(0,1,2,4,8,16,24和32gN·m-2·a-1)对盐渍化草地氨挥发的影响.结果表明:草地氨挥发速率与月累积量随氮添加水平的...     

Meta分析中国不同类型草地放牧强度对土壤氮素矿化作用的影响

氮是草地生产功能的重要限制因素,氮素矿化作用为草地肥力的重要指标.草地生态系统净氮矿化速率对放牧干扰存在不同的响应特征,本研究采用Meta分析方法,通过对中国草地已开展的32个有关放牧对草地矿化作用影响的试验结果进行整合分析.结果 表明:放牧轻微增加我国草地土壤净氮矿化速率,增幅约0.68％,平均效应值为0.01±0.13(置信区间为-0.24～0.25).放牧极显著增加了高寒草甸矿化作用(P＜0.05),平均效应值约为0.38±0.10.放牧降低了温性草原、温性荒漠和沼泽湿地(P＞0.05)土壤净氮矿化速率.放牧强度对平均效应值具有极显著影响(P＜0.0001),轻度和中度放牧提高氮素矿化速率分别为13.88％和5.12％,而重度放牧降低草地氮素矿化速率约9.42％.土壤湿度和海拔对平均效应值具有显著正效应影响(P＞0.05),分别可以解释14.30％和13.61％的效应值变异.轻度和中度放牧有利于提高我国草地生态系统氮素矿化作用和供给能力,可以作为草地生产管理的重要利用方式.暖湿化气候情景有助于提升草地生态系统氮素矿化作用和供给能力.     

施氮肥对草原生态系统影响的研究进展

氮是植物生长和发育必需的大量营养元素,是草地生产力主要限制性因素之一。本文综述了施氮对草原生态系统的影响研究进展,结果发现,目前施氮对草原生态系统的影响试验,多是针对某一具体草地类型短期的试验研究,具有很大的片面性,还没有得出普遍的规律和结论;以往的研究也主要是针对植物群落的地上部分,土壤生态过程变化成为施氮对草原生态系统的影响研究中的"瓶颈"。建议开展施氮对不同类型草原生态系统影响的定位试验,长期监测氮输入对草原生物多样性、生产力、土壤养分、土壤酶活性、土壤微生物多样性和土壤有机碳的影响过程,并加强植物和土壤生态系统整合研究,揭示我国不同类型草原生态系统氮输入阈值形成的机制及模式,对草原的可持续利用和管理具有重要的理论和实践意义。