干旱影响森林土壤有机碳周转及积累的研究进展

随着全球气候变暖趋势加剧,伴之而来的干旱问题成为全球关注的热点。干旱对森林生态系统碳积累和周转可能产生显著影响,其主要过程包括植被地上部分和地下部分凋落物对土壤有机碳的输入、凋落物的分解及土壤有机碳的矿化等。笔者综合分析了近年来国内外相关研究成果,对干旱影响森林土壤有机碳的主要过程与机制进行了归纳和总结,结果表明:①干旱通过促进叶片提前脱落,短期增加森林凋落物量,长期干旱则影响森林植物生长,降低森林初级生产力从而降低植物地上凋落物量。轻度和中度干旱下植物为补偿水分缺失增加细根生物量维持植物生命力,重度干旱下植物丧失自我修复能力导致细根生物量降低,干旱也会造成细根死亡率增加。平均而言,全球范围内干旱会造成森林凋落物量降低(1.9%)和细根生物量降低(8.7%),最终减少植物有机碳向土壤的输入量。②干旱可通过改变凋落物化学性质,对分解者——土壤动物、微生物产生胁迫,从而引起凋落物分解速率下降(10%~70%)。干旱使凋落物碳氮含量变化,造成凋落物次生代谢物,如纤维素、木质素、单宁等积累,改变根系分泌物化学组分,从而影响凋落物分解。干旱导致真菌生物量和分解者等土壤动物丰度降低,增加分解者捕食压力,使相关微生物和酶活性下降,造成凋落物分解速率下降。③干旱驱动微生物群落组成变化(真菌细菌比、革兰阳阴细菌比增加),造成微生物生物量下降,活性减弱,此外还会降低腐食动物的摄食活性、酶活性,最终导致土壤有机碳矿化速率下降(10%~50%)。④干旱对土壤有机碳不同组分影响不同,干旱会减小土壤微生物生物量碳(MBC)库(2%~30%),造成表层土壤溶解性有机碳(DOC)积累(30%~60%)。而在全球范围内的不同区域,干旱对土壤有机碳积累的影响也不同,亚热带森林中干旱对土壤有机碳积累的影响多是负面的,热带森林中则相反。总体而言,干旱对森林土壤有机碳库储量影响可能不大,但降低了土壤碳周转效率。而森林土壤有机碳周转过程不仅受干旱这一单一因素影响,温度、物种等因素会共同作用于土壤有机碳的周转与积累,且单因子的简单叠加模拟可能与现实环境中多因子综合对土壤碳通量的影响有一定差别。未来需要通过长期观测、延长控制实验时间、模拟原生环境条件等,开展多因素综合实验,加强干旱对土壤动物和微生物影响的研究,以深入了解干旱对森林土壤有机碳影响的生物学与生态学的过程与机制。     

大气氮沉降对森林土壤微生物影响的研究进展

大气氮沉降是影响森林生态系统的新生态因子之一,过量氮沉降将改变参与森林生态系统物质转化和养分循环的土壤微生物.作者综述了国内外模拟氮沉降对森林土壤微生物生物量、群落结构和多样性、微生物活性和酶活性、底物利用能力以及功能基因的影响研究现状.结果表明：(1)整体来看,氮沉降对森林土壤微生物生物量产生负面影响的报道较多;(2)氮沉降改变了森林土壤微生物群落的构成和丰富性;(3)氮沉降短期内促进森林土壤呼吸速率,长期氮输入会抑制土壤呼吸速率;(4)氮沉降改变了参与凋落物分解相关土壤酶的活性;(5)氮沉降降低了土壤微生物代谢复杂有机质的代谢能力;(6)氮沉降增加和降低了某些微生物功能基因的丰度.此外,作者还探讨了氮沉降对森林土壤微生物研究存在的问题和未来研究的重点.     

松嫩草原优势植物羊草和芦苇凋落物的分解对模拟增温及氮沉降的响应

以松嫩草原优势植物羊草和芦苇凋落物为研究对象,利用红外线加热器模拟大气升温,人工施氮肥模拟氮沉降,探讨了羊草、芦苇凋落物的分解对增温和施氮的响应.结果表明:增温和施氮不同程度地加快了两种凋落物的分解.羊草凋落物的残留率从小到大依次为:增温+施氮处理(69.3%),施氮处理(75.75%),增温处理(81.2%),对照(83.8%);芦苇凋落物残留率为:增温+施氮处理(78.85%),施氮处理(83.25%),对照(85.60%),增温处理(86.50%).通过Olson模型预测,增温和施氮处理将缩短羊草和芦苇凋落物的分解周期.对凋落物中细菌、真菌、放线菌的生物量与分解量进行的多元回归分析表现,细菌生物量偏回归系数最大,是影响两种凋落物分解的主要分解者.在整个分解过程中,凋落物有机碳含量与分解量具有显著的相关性.凋落物中全氮和全磷存在固持现象     

大气氮沉降对森林土壤碳输入输出过程的影响

森林是大面积氮沉降的直接承受者,森林土壤碳库占森林生态系统整个碳库的45%,不断加剧的氮沉降对森林土壤碳库输入输出产生了深刻影响,进而影响森林生态系统的结构、过程和功能.作者综述了国内外有关氮输入影响森林土壤碳库输入输出的4个过程:凋落物分解、细根周转、土壤呼吸、可溶性有机碳淋失,并概述了氮输入对4个过程可能的影响机理,探讨了当前森林土壤碳输入输出过程对氮沉降响应研究存在的问题,指出未来该领域研究的重点和方向.     

模拟氮沉降对高寒湿地生境土壤微生物的影响

为了明确氮沉降的变化对高寒湿地生境下土壤微生物的影响,本文使用人工控制施肥试验来模拟氮沉降的变化,采用稀释平板菌落数计数法,以小泊湖与依克乌兰两块高寒湿地作为试验研究对象,研究了土壤微生物对不同氮沉降水平响应。结果表明,施氮肥对小泊湖湿地土壤中的微生物数量产生了促进作用,但对依克乌兰湿地土壤微生物却有抑制作用,同时,也促进了固氮菌和纤维素分解菌的更多生成.     

不同分解程度木麻黄凋落物的养分特征及微生物功能多样性分析

【目的】通过了解木麻黄凋落物分解过程中的养分变化以及微生物碳源的利用特征,明确凋落物微生物多样性与养分之间的关系。【方法】在海南省海口市桂林洋海滨选取10~15年生木麻黄林,按照“S”形五点取样法,分别采集0~5 cm、≥5~10 cm、≥10~15 cm 等3种不同分解程度的凋落物样品,测定其理化性质,并利用Biolog微孔板法测定凋落物外生菌和内生菌的群落功能多样性,对其进行主成分PCA分析和冗余RDA分析。【结果】①凋落物的分解程度越高,其有机碳、全氮、全磷含量越低。②不同分解程度木麻黄凋落物中外生菌和内生菌功能多样性差异显著,外生菌平均颜色变化率(AWCD)随分解程度增加而增大,而内生菌AWCD则降低。③凋落物分解程度越高,外生菌的Shannon、Simpson指数明显升高,McIntosh指数无显著差异;内生菌的Shannon、Simpson指数也随之增加,而McIntosh指数则明显降低。④外生菌和内生菌对6大类碳源利用强度存在差异,优势碳源分别为糖类和多聚物,分解后期胺类和酚类的利用率均有提高。⑤主成分PCA分析表明,不同分解程度的凋落物外生菌和内生菌对31种碳源的利用均有显著差异;RDA分析表明,碳、氮含量与凋落物外生菌微生物功能多样性指数呈最大相关。【结论】木麻黄凋落物分解程度越大,外生菌碳代谢强度和多样性越高,而内生菌碳代谢强度越低,其多样性越高;凋落物的氮、碳含量是影响凋落物微生物功能多样性的主要因素。因此,外生菌和内生菌在木麻黄凋落物的分解中发挥着不同的作用。     

氮添加对杨树人工林土壤活性有机碳季节变化的影响

为研究大气氮沉降对森林生态系统碳循环的影响, 从2012年5月起,选择典型的苏北杨树(Populus deltoides cv. ‘I-35’)人工林为实验地, 采用随机区组设计不同氮添加处理, 进行野外氮添加定位试验,分析氮添加对不同林龄杨树人工林土壤活性有机碳的影响。结果表明:氮添加提高了土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳的含量; 土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳含量有显著的季节变化,总体表现为夏秋季较高,冬春季较低。相关分析表明,微生物生物量碳含量与土壤温度呈极显著正相关(p<0.01),可溶性有机碳含量与土壤温度相关性不显著(p>0.05)。研究表明,苏北杨树人工林土壤活性有机碳含量的季节变化主要受到土壤温度影响,同时其对氮添加呈正响应。     

氮沉降对土壤微生物影响的研究进展

土壤中氮沉降增加作为全球环境变化的重要现象之一,给人类带来了巨大挑战。笔者综述了近年来氮沉降对土壤微生物的影响研究,从土壤微生物生物量、群落结构和多样性、微生物活性、功能基因与底物利用等方面进行总结分析。综合来看,氮沉降对土壤微生物的影响主要表现为:1土壤微生物生物量、真菌生物量以及真菌与细菌生物量比值下降;2外生菌根真菌子实体生产力和外生菌根丰度下降,外生菌根真菌群落结构组成改变;3丛枝菌根真菌群落结构组成改变,但氮沉降对丛枝菌根真菌的多样性和对腐生真菌的影响结果存在较大争议;4细菌群落结构组成改变,贫营养细菌丰度下降,富营养细菌丰度上升;5土壤微生物活性下降,某些功能基因丰度下降,对复杂有机碳、氮的代谢能力下降。同时,相关研究报道表明:氮沉降可以直接或通过降低土壤p H,增加微生物的碳限制,改变底物的数量和质量等途径间接对微生物生物量和群落结构产生影响。     

中国陆地生态系统叶凋落物分解的格局及控制因素

分析我国大空间尺度下气候对叶凋落物分解的调控机制,可以为预测中国生物地球循环对未来气候变化的响应提供理论基础和数据支持。针对我国大空间尺度下叶凋落物的分解建立数据库,中国叶凋落物平均分解速率为0. 726y-1,其中阔叶草本针叶。分解速率与年均温、年均降水、凋落物N、P和K含量正相关,而与凋落物C、纤维素和木质素含量负相关。本研究证明气候可以直接影响凋落物分解,但是并不支持气候通过凋落物性质而间接影响凋落物分解这一观点。年均降水和凋落物养分含量解释了全部叶凋落物分解速率85. 4%的变异,而年均降水和凋落物纤维素含量解释了阔叶凋落物分解速率84%的变异。这些结果表明,大空间尺度下,气候和凋落物性质直接影响着中国陆地叶凋落物分解,且气候比凋落物性质更重要。     

短期氮添加对杨树人工林表层土壤 可溶性有机碳的影响

在江苏省北部杨树人工林集中分布区开展短期氮添加实验,以研究表层土壤(0～10 cm)可溶性有机碳的响应规律。结果显示:杨树人工林表层土壤可溶性有机碳随着氮添加浓度上升呈现增加趋势,林龄间差异逐渐减小; 对表层土壤可溶性有机碳影响因子分析发现,短期氮添加过程中土壤微生物生物量碳与土壤可溶性有机碳动态的相关性最大,与相对于凋落物量和细根生物量没有明显相关关系,说明短期外源氮素输入会导致土壤微生物生物量的增加,从而引起作为微生物代谢产物的土壤可溶性有机碳浓度的上升。     

不同林龄杨树细根糖化学组分对氮沉降的响应

选择苏北沿海5、9和15年生杨树人工林作为实验地,采用随机区组设计,设置了N0(CK)、N1(5 g/(m²·a))、N2(10 g/(m²·a))、N3(15 g/(m²·a))、N4(30 g/(m²·a))共5个不同浓度的氮沉降处理,研究氮沉降对土壤细根糖化学组分的影响。结果表明:(1)3个林龄杨树林地下细根中可溶性糖、淀粉含量,在1 a的观测期内,最大值出现在12月份,其中可溶性糖在1 a中的变化幅度最大,最高值与最低值相差约7倍; 而作为结构性碳水化合物的纤维素和木质素在1 a的观测期内相对较为稳定。(2)随着外源氮输入增加,细根中可溶性糖、淀粉含量在N2水平最大,在N4水平则低于对照。而非结构性碳水化合物在氮增加处理的不同水平间差异不显著(p>0.05)。总之,一定浓度的氮增加,将增加细根中活性代谢物质的碳投入。(3)杨树细根生物量与非结构性碳水化合物存在显著的正相关,杨树细根糖化学组分与土壤C、N以及温湿度没有显著相关性。     

凋落叶分解对土壤微生物数量和组成的影响

研究了8个树种凋落叶分解对土壤微生物数量和组成的影响.结果表明:凋落叶分解影响下的土壤中真菌数量比例明显高于对照土壤中的,说明真菌是凋落叶的重要分解者;凋落叶在分解前期,细菌所占比例最高,真菌和放线菌所占比例较低,而分解后期,细菌比例下降,真菌和放线菌比例上升;南洋楹、大叶相思、马占相思和荷木等树种凋落叶分解影响下的土壤微生物量较大,种类比较丰富,细菌所占比例较高,有较好的土壤微生物效应,而湿地松和马尾松凋落叶的土壤微生物效应则较差.     

甲酸法绿色分离缅甸黄花梨中木质素和纤维素的研究

采用甲酸法处理缅甸黄花梨生物质,分离木质素和纤维素,探究了甲酸浓度、反应温度和时间对木质素分离效果的影响,结果表明最佳工艺参数为：甲酸质量分数88%,反应温度110 ℃,反应时间2 h。在此条件下的纤维素得率为89.56%,木质素含量（质量分数）为90%。傅里叶转换红外光谱（FT-IR）和高效液相色谱（HPLC）的分析表明,经过甲酸处理得到的纤维素和木质素都发生了不同程度的甲酰化修饰改性。X射线衍射（XRD）结果显示,经甲酸法处理后,纤维素的结晶度增大。以上结果可为生物质组分分离及其功能性材料制备提供技术支撑。     

生物质三组分热解反应及动力学的比较

采用热重分析法考察了生物质中三种主要成分纤维素、半纤维素和木质素的热解反应行为,以Coats-Redfern积分法对实验数据进行动力学解析,建立了该三组分热解反应的动力学模型。结果表明,分子结构上的不同使得该三组分的热解特性存在明显差异;在所考察的温区内纤维素的失重量约为86%,半纤维素模型化合物木聚糖的失重量为69%左右,而木质素的失重量仅为51%;热解反应深度按照纤维素、木聚糖和木质素的顺序依次降低;木质素和木聚糖的热解反应均可以用两个分段二级动力学方程来描述,但纤维素在低温区和高温区分别遵循一级和二级动力学规律。     

不同凋落叶分解的土壤微生物效应

研究了8个树种凋落叶分解的土壤微生物效应．结果表明：凋落叶分解影响下的土壤与空白对照土壤相比，微生物生物量有明显提高，且分解越快的凋落叶，在其影响下土壤微生物生物量越大；南洋楹、大叶相思、马占相思和荷木等树种凋落叶分解影响下的土壤微生物量较大，有较好的土壤微生物效应，而湿地松和马尾松凋落叶的土壤微生物效应则较差．     

蚯蚓对松嫩草原主要凋落物分解作用实验研究

采用室内模拟的方法,研究了蚯蚓对松嫩草原冰草(Agropyron cristatum)、朝鲜碱茅(Puccinellia chinam poensis)、羊草(Leymus chinensis)和贝加尔针茅(Stipa baicalensis)凋落物叶和茎的分解作用及蚯蚓在各种凋落物分解过程中的生长和代谢情况.结果表明...