土壤微生物对大气CO_2浓度升高的响应研究

土壤微生物对大气CO2浓度升高的响应是全面评价大气CO2浓度变化对陆地生态系统影响的关键。文章简要回顾了人工控制微域生态环境CO2浓度增高的研究技术及其发展,并着重介绍了新兴的FACE(Free-air CO2enrichm ent,开放式空气CO2浓度增高)研究手段,进而从土壤微生物区系和生物量、微生物呼吸和酶活性、菌根菌侵染和根瘤共生、土壤硝化和反硝化四个方面综述了大气CO2浓度升高影响土壤微生物的试验报道结果,最后结合新兴的土壤微生物分子生态学研究手段论述了该领域今后应关注开展的主要方向。     

大气CO_2浓度升高对陆地生态系统土壤固碳的可能影响

陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。大气CO2浓度升高直接或间接地影响土壤碳的固定,碳在土壤的不同固定机理反映了碳的稳定性和周转过程,本文综述了影响碳固定的物理、化学和生物学机理,土壤碳固定的不同状态发生的主要机理不同;受大气CO2浓度升高影响时间长短不一,主要过程有所侧重,但三种机理相互影响。     

大气CO2浓度升高对作物根际土壤氮的影响

利用FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术,在两种氮肥施用（低氮LN和常规氮NN）水平下,研究CO：浓度升高对水稻和小麦收获后根际和非根际土壤硝态氮、铵态氮和有机氮的影响。结果表明,相对于对照CO2浓度处理,高CO2浓度处理在显著增加作物生物量的前提下,使水稻季根际土壤硝态氮含量降低,NN水平下降低明显,小麦季变化不大,高CO2浓度处理对作物根际的影响大于非根际。高CO2浓度对土壤铵态氮含量的影响不显著,仅小幅度增加了水稻季和降低了小麦季土壤铵态氮含量,且根际降低幅度大于非根际;增加氮肥施用使土壤铵态氮含量在高CO2浓度处理增加幅度低于对照。高CO2浓度处理并没有显著增加有机氮的含量,在小麦季作物对土壤有机氮的贡献大于水稻季,且增加氮肥施用条件下根际对有机氮的贡献较大。     

不同土壤和植被生境下生物结皮对土壤性质的影响

生物结皮作为干旱和半干旱地区重要的生物组分,对该区域生态过程中的生物地球化学循环产生重要的影响。以陕北水蚀风蚀交错区的生物结皮为研究对象,调查该区域2种土壤(黄绵土和风沙土)和3种植被(长芒草、油蒿和小叶杨群落,以农田为对照)生境下生物结皮对土壤性质的影响。结果表明:(1)结皮层与结皮下层0-10 cm各土壤性质指标的变化存在显著差异(p0.05);(2)3种植物群落生境下结皮层各土壤性质指标的变化差异不显著,表明结皮层内生物结皮生态功能作用是结皮层土壤性质的主导影响因素;(3)3种植物群落生境0-10 cm土层的土壤性质如C、N、C/N、Mg、Mn、δ~(13)C和δ~(15)N等指标变化存在显著差异(p0.05),但风沙土油蒿和小叶杨群落生境下所有调查的土壤性质指标间均无显著差异,这表明样地间0-10 cm土层土壤性质差异的主要是受到土壤类型自身特性的影响;(4)不同植被和土壤生境下的结皮层和0-10 cm样品间的空间排序分异明显,表明土壤性质间的差异依赖于生境下多因素的综合作用,生物结皮、土壤类型和植被是预测该区域表层土壤空间异质性的重要因素。     

盐碱草甸植被退化对土壤硝化作用强度的影响

为了解不同退化阶段盐碱草甸草原土壤硝化作用强度特征及其影响因素,采用空间代替时间的方法,以松嫩平原盐碱草甸草原植被退化过程中4种典型植物群落为对象,以未做处理为参照,设置刈割、施氮和刈割同时施氮3种处理,测定了土壤的硝化作用强度(NI)、pH值、电导率(EC)、含水量(SMC)和有效磷(OP)、硝态氮(NO^-₃-N)、铵态氮(NH+4-N)及全氮(TN)的含量。结果显示:(1)土壤NI与pH值、电导率、含水量、OP和NO^-₃-N呈极显著正相关关系(p<0.01);通过逐步回归分析的方法得出土壤NI的重要影响因子,重要影响因子对土壤NI影响强弱表现为:pH值>有效磷含量>含水量>硝态氮含量,并推断土壤硝态氮含量可作为土壤NI的一个重要表征参数。(2)未作处理时,星星草群落与碱蓬群落土壤硝化作用强度分别为13.4,13.5 mg/(kg·h),显著高于羊草群落和退化羊草群落的5.0,2.5 mg/(kg·h),刈割和施氮处理分别使星星草群落土壤NI提高96.88%,253.77%,混合处理使其提高413.70%,显著高于其他3种植物群落,由此可见,在人为刈割和施氮肥的干预下,星星草群落土壤铵态氮可能更易转变为硝态氮,氮素流失的风险也更大,因此可认为星星草群落处于盐碱草甸退化过程中的关键阶段。     

不同植被和土壤类型下土壤水分剖面的分异

为研究不同土壤类型下土壤水分的垂直分布特征及变异情况,在位于黄土高原水蚀风湿交错带的六道沟小流域选取坝淤土、黄绵土和风沙土3种土壤类型为研究对象,测定了0-600cm土壤水分含量,利用经典统计学方法进行分析。结果表明：坝淤土土壤水分剖面呈有规律的波动型变化,黄绵土剖面土壤水分基本呈微弱的波动型变化,风沙土土壤水分剖面变化类型属于降低型;植被覆盖为柠条或小叶杨时,不同土壤类型对0-100cm间土壤水分含量影响不明显,而对100-600cm土壤水分含量影响显著（P〈0.05）;柠条覆盖下0-600cm平均土壤水分均呈现：黄绵土〉坝淤土〉风沙土,小叶杨覆盖下0-600cm平均土壤水分均呈现：风沙土〉坝淤土〉黄绵土;对3种土壤类型而言,同一土壤类型下植被类型的不同主要对深层土壤水分的垂直分布产生影响,总体上,农地和草地下的土壤水分状况好于灌木和乔木。这对于指导干旱区农业生产以及植被恢复中水分的合理调控具有积极的意义。     

不同植被类型对土壤微生物量碳氮及土壤呼吸的影响

对四种植被类型下土壤微生物量碳、氮、土壤呼吸速率以及代谢熵的研究,结果表明,土壤微生物量碳、氮以及土壤呼吸在四种植被类型间差异显著,而土壤微生物代谢熵之间差异不明显。且不同植被演替阶段土壤微生物量碳、氮从初级阶段到次生林阶段逐步增大,从次生林到成熟林阶段明显减小;土壤呼吸随着植被的正向演替,呼吸速率逐渐增强;四种植被类型间土壤微生物代谢熵在次生林中最低,为0.44mgg-1h-1,万熟林地中最高,为1.01mgg-1h-1,表明土壤微生物对土壤碳的利用效率次生林较高,成熟林地较低。     

植被固土减蚀作用的力学效应

通过分析黄土丘陵沟壑区第一副区、第二副区和水蚀风蚀交错区不同植被坡面土壤的抗剪切力特性,研究植被固土减蚀的力学效应.结果表明,不同植被坡面土壤抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;由于根系的固结作用,植被坡面土壤的抗剪强度明显增加,植被坡面的黏聚力和内摩擦角角度大于裸地坡面的黏聚力和内摩擦角角度;不同植被坡面的黏聚力是裸地黏聚力的1.04～2.11倍,不同植被坡面的内摩擦角角度是裸地内摩擦角角度的1.03～1.19倍;不同植被坡面黏聚力与侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,产沙量呈下降的趋势;不同植被坡面产沙量随径流切应力的增大而增大,具有较好的线性相关关系.在上述分析基础上,建立了临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系,从力学层面认识了坡面侵蚀产沙的过程机理.     

不同植被下降雨类型对红壤坡地土壤侵蚀特征的影响

根据武汉市蔡甸区西湖流域径流小区记录的146场次降雨资料,研究了植被类型和降雨类型对红壤坡面产流量与土壤侵蚀量的影响。基于K均值分类,将当地降雨划分为A型降雨（中雨量、弱雨强、长历时和高频次）、B型降雨（极大雨量、极强雨强、短历时和低频次）、C型降雨（大雨量,强雨强、中等历时和低频次）和D型降雨（小雨量,弱雨强、短历时和高频次）四种雨型。发现裸地与果林地的产流输沙量大,水沙关系稳定,水土保持能力在各类侵蚀性降雨下均较弱,A雨型和C雨型是导致此类坡面土壤侵蚀的主要雨型。阔叶林、针叶林、牧草地和草坪地坡面的产流输沙量小,水沙关系不稳定,植被的水土保持能力总体较强,但是在B雨型下偏弱,B雨型和C雨型是导致此类坡面土壤侵蚀的主要雨型。     

黄土陡坡人工植被下土壤表层的水文效应

[目的] 探讨栽植坡度、坡向对绿化陡坡土壤表层水文效应的影响,为黄土陡坡植被恢复过程中水资源的有效利用提供科学依据。 [方法] 在干旱半干旱区选择46°~55°和56°~65°两个陡坡级的阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡4种坡向绿化8 a的乔灌木陡坡,测定0—40 cm土层的土壤基本性状、持水量和渗透性能,分析各土壤因子和地形因子的关系。 [结果] ①坡度和坡向立地因子之间交互作用对0—40 cm土层土壤容重、质量含水量、总孔隙度、最大持水量有显著影响(p<0.05),对0—20 cm土层土壤毛管孔隙度、毛管持水量有显著影响(p<0.05),其他因子影响均不显著(p>0.05)。 ②不同坡度间,最大持水量表现为：46°~55°>56°~65°陡坡;平均渗透速率则表现为：56°~65°>46°~55°陡坡;同时不同坡向间,最大持水量表现为：阳坡(522.42 t/hm²)>半阳坡(505.03 t/hm²)>阴坡(502.27 t/hm²)>半阴坡(496.15 t/hm²);土壤平均渗透速率表现为阳坡(0.79 mm/min)>半阳坡(0.59 mm/min)>阴坡(0.42 mm/min)>半阴坡(0.30 mm/min)。 ③双因素方差分析表明,坡度级和坡向的双因素交互作用对陡坡的水文特征影响最大。 [结论] 46°~55°陡坡的土壤基本性状优于56°~65°陡坡,而阳坡和半阳坡的水源涵养能力高于阴坡和半阴坡。     

贵阳市东郊不同植被类型下土壤特性对微生物功能的影响

选取贵阳市东郊 7 种植被下土壤,测定了微生物群落功能(Biolog 法)和 13 种土壤特性,采用主成分分析和回归分析方法,研究了土壤特性对微生物群落功能的影响.结果表明,土壤特性解释了土壤微生物底物利用变异的 77.9% 和土壤微生物功能多样性的全部变异,其中,土壤 pH、有效 P、速效 K、有机 C、水解 N 和溶解性有机 C 分别解释了底物利用的 48.4%、15.9%、5.9%、5.7%、1.6% 和 0.4%;有效 P、速效 K、有机 C 和全 N 分别解释了微生物功能多样性指标 (H′)变异的 67.4%、27.7%、4.7% 和 0.2%,表明土壤特性对微生物底物利用和功能多样性有决定性影响.     

温度和二氧化碳浓度升高对青稞生长的影响

采用开顶式气室（OTC）模拟温度和二氧化碳（CO2）浓度升高的生长环境,以模拟大田环境为对照（CK）,通过大田原位模拟试验对“藏青2000”青稞品种在增温2℃（T2）、增温4℃（T4）和增温2℃同时增加CO2浓度100μL·L-1（T2+CO2）环境下进行观测,分析气候变化环境下青稞的生育期、光合作用、农艺性状及其耕层土壤养分的变化。结果表明：增温处理（T2、T4、T2+CO2）下青稞的生育期缩短5～7d。其中,T4处理的生育期最短,为92d,T2和T2+CO2处理为94d。增温处理中青稞叶片光合作用降低,其净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）均显著低于CK。增温处理使土壤耕层有机质和速效钾含量显著降低,速效磷含量提高。与CK相比,T2、T4和T2+CO2各处理青稞产量分别下降31.4%、46.9%和39.4%;增温2℃使青稞农艺性状（株高、干物质量、穗长）有所提高,在增温的基础上增加CO2浓度对青稞的影响并不显著,增温4℃严重影响青稞的正常生长和产量。     

植被恢复对侵蚀退化红壤碳吸存的影响

侵蚀退化土壤具有较大的碳吸存潜力,恢复我国大面积退化土壤对增加碳汇具有重要意义。在长汀县河田镇研究了侵蚀退化裸地恢复为马尾松、板栗园和百喜草地后土壤有机碳库的变化,试图揭示植被恢复对土壤有机碳垂直分布的影响,以及侵蚀退化红壤在植被恢复过程中碳吸存潜力和速率。裸地的土壤有机碳含量和储量极低,垂直分布变化不明显;而植被恢复显著增加了土壤的有机碳含量和储量,0~5 cm土层受植被恢复影响最大,40 cm以下土层深度受植被恢复的影响很小,0~20 cm土层是储存有机碳的主要层次。以次生林为参照,裸地土壤的碳吸存潜力为56 t/hm2,而植被恢复后土壤仍约有30~44 t/hm2的吸存潜力。马尾松林、板栗园和百喜草地0~100 cm土层土壤碳吸存量分别为25.234 t/hm2,11.418 t/hm2和15.394 t/hm2,年平均碳吸存速率分别为1.06t/(hm2.a),1.90 t/(hm2.a)和3.08 t/(hm2.a),短期碳吸存速率高于长期碳吸存速率。     

植被恢复对黑岱沟矿区排土场土壤性质的影响

[目的]以内蒙古准格尔旗黑岱沟露天煤矿北排土场为研究对象,为矿区的植被恢复和治理提供依据。[方法]通过野外土壤剖面调查和采集土壤样品,对9种植被恢复模式及对照区土壤理化性质进行测定和分析,并通过土壤质量指数计算,对不同植被恢复模式下土壤质量进行评价。[结果]各种植被类型均能有效地改良土壤。其中沙棘的容重最小,为1.35g/cm3;油松+沙棘+锦鸡儿的含水量最大,为13.32%;油松+杨树+柳有机质最高,为9.42g/kg;油松+沙棘+锦鸡儿土壤速效N和速效K含量均为最高,分别为21.32和90.21mg/kg;锦鸡儿土壤速效P含量最高,为6.47mg/kg;沙棘和锦鸡儿作为灌木的乔灌混交模式下土壤质量综合评价值最高,单一种植沙棘以及锦鸡儿的土壤质量综合评价值也较高。[结论]种植沙棘、锦鸡儿以及乔木、沙棘和锦鸡儿的乔灌混交类型对该地区土壤复垦有重要作用。     

植被类型对滨海湿地土壤酶活性的影响研究

在盐城滨海湿地采集植被为互花米草(Spartina alterniflora)、海三棱藨草(Scirpus mariqueter)、芦苇(Phragmites australis)、碱蓬(Suaeda salsa)和光滩的土壤样品22个,分别测定了β-葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶的活性。结果显示,植被覆盖下的土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶的活性均高于光滩土壤,且不同类型植被下土壤之间酶活性也有一定的差异。同一类植被覆盖下,不同样点间土壤酶活性也存在很大的差异。相关分析表明,β-葡萄糖苷酶和脲酶活性与有机质和全氮存在显著正相关;磷酸酶活性与有机质和有机质/磷呈显著正相关。有机质是影响酶活性的主要限制性物质,地上部生物量相对较大的植物(如互花米草)在提高有机质方面表现出巨大潜力,不仅可以增加土壤酶活性,还能促进养分循环和利用。     

黄土高原土壤侵蚀特点与植被对土壤侵蚀影响的研究

黄土高原土壤侵蚀异常强烈,并且大部分地区以水蚀为主。在水蚀区,土壤侵蚀主要由少数几次暴雨所引起。黄土高原的土壤侵蚀情况比较复杂,以各种类型的沟蚀为主,并具有垂直分带性。坡耕地的土壤侵蚀,占总侵蚀量的比重很大。同时,根据在子午岭地区的土壤侵蚀调查,讨论了植被对土壤侵蚀的影响。     

UV-B辐射增强对土壤有机碳稳定性的影响

以母质相同、有机碳含量不同的2个水稻土为研究材料,通过室内模拟光照,探讨紫外辐射(UV-B,280~315nm)对土壤总碳(TC)、可溶性有机碳(DOC)和复合酚(AEP)含量的影响以及土层厚度不同(0.95,1.89,2.84mm)对UV-B辐射的响应特征。结果表明:与黑暗处理相比,培养96h后,无论是在有机碳含量低的土壤(A土)还是在有机碳含量高的土壤(B土)中,UV-B辐射均显著降低了土壤TC的含量,却增加了土壤DOC的含量,在试验结束时,土壤A和B的TC含量分别降低了3.11%和6.18%,而土壤DOC含量分别增加了16.05%和9.89%。在UV-B辐射96h后,与1.89,2.84mm土层相比,土层厚度为0.95mm时土壤TC、DOC和AEP含量变化幅度最大,A和B两个土壤中TC含量分别降低了19.11%和14.35%,DOC和AEP含量分别增加了18.66%和18.92%与23.52%和22.70%,而UV-B辐射对厚度为1.89mm和2.84mm的土层TC、DOC和AEP含量并无显著影响。研究结果表明UV-B辐射对土壤碳库稳定性有一定的影响,在农业生产中为了保护碳库稳定性,应该尽量减少地表裸露。     

不同植物带地埂土壤抗侵蚀效果研究

采用野外调查与室内试验相结合的方法,对研究区坡耕地3种不同地埂植物带上的植物生长状况、土壤物理化学性状及土壤崩解速率进行了测定,研究了不同植物带地埂土壤的抗侵蚀效果。结果表明:黄花菜与红小豆混种能够促进地埂植物带上植物地上和地下部分生长,增强植物护埂、固埂作用;不同植物带地埂土壤容重随土层深度的增加而增大,土壤孔隙度、含水量和有机质含量随土层深度的增加而降低;黄花菜、红小豆及黄花菜与红小豆混种植物带地埂土壤孔隙度、含水量及有机质含量均高于对照裸埂,土壤容重低于裸埂,黄花菜地埂土壤孔隙度最好,黄花菜与红小豆混种地埂土壤保水保肥性最好;不同植物带地埂土壤崩解速率随土层深度的增加而增大,黄花菜与红小豆混种地埂土壤抗崩解、抗侵蚀性能最强,是适合东北低山丘陵区坡耕地水土流失防治的良好措施。     

环境温度和CO2浓度升高对湖北早稻氮素含量及产量的影响

采用改进后的开顶式气室（OTC）,大田原位模拟温度升高2℃和CO₂浓度增加60μL·L^-1的未来气候情景,观测其对湖北地区早稻植株全氮、土壤氮素及产量的影响。试验设置对照(CK)、增温（增2℃,IT）、增CO2 (增60μL·L^-1,IC)以及增温+CO^₂（增2℃+增60μL·L^-1,IT+IC）4个处理,3次重复,随机区组排列,对早稻各生育期植株全氮含量、土壤NH4⁺-N和NO₃--N含量以及产量构成进行监测。结果表明：（1）温度和CO^₂浓度升高以及二者同增会增加早稻生育早期（特别是分蘖期）植株体内全氮含量,分蘖期以后各处理间差异不显著,籽粒全氮含量差异亦不显著;土壤NH4⁺-N含量与植株全氮变化规律类似,在早稻生育早期,温度和CO^₂浓度升高以及二者同增会增加土壤NH4⁺-N含量,分蘖期以后各处理间差异不显著;（2）温度升高使拔节期、成熟期土壤NO₃--N含量降低,抽穗期土壤NO₃--N含量增加;CO₂浓度增加会提高拔节期、成熟期,降低抽穗期土壤NO₃-N含量;（3）CO₂浓度升高,早稻增产13.4%,与CK差异极显著（P<0.01）,而单独增温或增温+增CO₂处理早稻产量与CK差异不显著。