凋落物季节性输入对川西亚高山森林土壤活性有机碳的影响

土壤活性有机碳是土壤有机碳库的活跃组分,在森林生态系统碳循环中具有重要作用;凋落物作为森林土壤有机碳库的主要来源,其季节性输入可能会对土壤活性有机碳动态产生不同的影响.为了解土壤活性有机碳如何响应凋落物输入的季节变化,选取川西亚高山3种不同森林类型(针叶林、混交林和阔叶林),采用凋落物原位控制实验,分别于凋落物输入的枝条高峰期、非生理性高峰期、生殖高峰期和叶高峰期进行样品采集,对比这4个关键时期的凋落物输入对土壤溶解性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(EOC)、颗粒有机碳(POC)和轻组有机碳(LFC)的影响.结果显示,凋落物季节性输入下,土壤DOC浓度在非生理性高峰期减少11.1%-26.4%,在生殖高峰期增加23.9%-34.5%;EOC浓度在各采样时期均有不同程度的增加(12.9%-84.5%);而POC浓度在各采样时期主要呈减少趋势(35.6%-46.8%);LFC浓度在枝条凋落高峰期显著增加(26.75%-106.1%),随后呈减少趋势(20.3%-39.9%).凋落物C/N显著解释了土壤DOC和EOC浓度变化,而对土壤POC和LFC浓度变化的解释不显著.综上所述,土壤活性有机碳组分对凋落物季节性输入短期内即有响应,由于活性有机碳组分周转机制的差异,以及土壤理化性质(土壤温度、冻融循环和全氮等)的调控作用,不同活性有机碳组分的响应存在差异,其内在机制需进一步研究;上述结果为认识气候变化背景下高山森林土壤碳循环相关生态过程提供了基础数据.(图4表1参55)     

森林凋落物分解研究进展

森林凋落物是指森林生态系统内由生物组分产生,然后归还到林地表面的所有有机物质的总称。森林凋落物在促进森林生态系统正常的物质循环和养分平衡,维持生态系统功能中具有重要作用,其分解受多因素影响,且各因素之间相互交错。不同情况下,各因子的重要性可能不同。温度和湿度被认为是影响凋落物分解主要的气候因子。凋落物随着温度升高分解速率加快,增加土壤湿度对凋落物分解有积极作用。凋落物的化学性质中,C、N比和木质素含量被认为是最重要的指标。凋落物分解前期的分解速率受到养分含量、水溶性碳化合物和结构碳化合物含量的强烈影响,而后期则更多地受到木质素及纤维素/木质素比值的支配。土壤动物可以粉碎凋落物,土壤微生物也是促进凋落物分解的重要因素,人为活动也影响凋落物分解。N沉降、全球变暖和臭氧层破坏等全球变化对森林凋落物分解的影响已逐渐成为研究热点。未来凋落物分解的研究方向是统一研究方法,开展长期定位监测,加强对分解过程中有机碳含量和释放量的研究,以及N沉降对凋落物分解作用机理的研究。     

森林凋落物分解研究进展

森林凋落物是指森林生态系统内由生物组分产生,然后归还到林地表面的所有有机物质的总称。森林凋落物在促进森林生态系统正常的物质循环和养分平衡,维持生态系统功能中具有重要作用,其分解受多因素影响,且各因素之间相互交错。不同情况下,各因子的重要性可能不同。温度和湿度被认为是影响凋落物分解主要的气候因子。凋落物随着温度升高分解速率加快,增加土壤湿度对凋落物分解有积极作用。凋落物的化学性质中,C、N比和木质素含量被认为是最重要的指标。凋落物分解前期的分解速率受到养分含量、水溶性碳化合物和结构碳化合物含量的强烈影响,而后期则更多地受到木质索及纤维素／木质素比值的支配。土壤动物可以粉碎凋落物,土壤微生物也是促进凋落物分解的重要因素,人为活动也影响凋落物分解。N沉降、全球变暖和臭氧层破坏等全球变化对森林凋落物分解的影响已逐渐成为研究热点。未来凋落物分解的研究方向是统一研究方法,开展长期定位监测,加强对分解过程中有机碳含量和释放量的研究,以及N沉降对凋落物分解作用机理的研究。     

“非正常”凋落物对冰雪灾后南岭森林土壤有机碳的影响

2008年初,一场百年罕见的冰雪灾害袭击了我国南方地区,对南方19个省（区）的林区,相当中国森林面积的13%（1.86×107 hm2）的森林植被遭受整体性、毁灭性破坏,导致的大量“非正常”凋落物必将对森林土壤碳循环产生深远影响。本研究以广东乐昌杨东山十二度水省级自然保护区不同海拔梯度上受灾的常绿阔叶混交林3种森林群落为研究对象,采用去除冰雪灾害导致的“非正常”凋落物与受损林地进行对照试验,对冰雪灾害所导致“非正常”凋落物对土壤碳的影响进行了研究。研究结果表明：灾后3种森林群落中不同深度土壤的有机碳质量分数和储量持续增加,同一深度土壤有机碳质量分数和碳储量在不同年份之间差异显著。直至2011年“非正常”凋落物分解完毕时,10~50 cm的土壤有机碳质量分数与上一年相比有减少趋势;0~10 cm的土壤有机碳质量分数稍比2010年高,但变化差异不显著(p=0.36),说明在“非正常”凋落物分解结束后土壤有机碳质量分数有减小的趋势,致使土壤碳储量下降。去除“非正常”凋落物样地与对照样地相比,各土壤深度的土壤有机碳质量分数明显下降,年平均下降百分比例变化范围为12.14%~55.34%,0~10 cm和10~30 cm土壤的有机碳质量分数下降变化波动幅度要比30~50 cm大;不同深度土壤有机碳质量分数与凋落物有机碳失质量间具有显著的线性相关性。可见,冰雪灾害导致的“非正常”凋落物对土壤有机碳质量分数和储量都有十分显著的影响,“非正常”凋落物的分解输入能显著提高土壤有机碳质量分数和储量。     

活性有机碳含量在凋落物分解过程中的作用

土壤凋落物的分解不仅是生态系统养分循环的重要环节,也是生态系统碳释放源之一。将呼伦贝尔森林草原过渡带的草原凋落物、白桦林凋落物、落松林凋落物分别添加在棕色针叶林土里进行恒温培养,探讨了不同凋落物类型有机碳分解速率差异及其影响因子。结果表明:不同凋落物的有机碳矿化速率和矿化累积总量在分解初期不一致,但由高到低的次序均为:草原凋落物→白桦林凋落物→落叶松林凋落物,40d的有机碳矿化累积量分别为76.53、47.42、20.56mg/g。这主要与凋落物的化学性质有关,主要决定于凋落物中易被微生物分解的热水溶性有机碳含量和易分解有机物含量,而与凋落物的总有机碳含量、全氮含量、w(C)/w(N)比等关系不明显。     

湿地挺水植物凋落物立枯分解研究进展

在许多湿地生态系统中,挺水植物立枯常组成凋落物总量的主要部分,其分解过程研究对于正确评价湿地生态系统的碳收支状况具有重要意义。对立枯分解过程与传统研究中凋落物分解过程的差异,分解过程中的 CO2排放,立枯分解的研究方法,以及分解过程的影响因素进行了综述。一般认为,湿地挺水植物立枯与传统研究中凋落物所处环境的差异造成了分解过程的差异,其分解过程中产生 CO2是湿地温室气体排放的重要途径;凋落袋和红外气体分析仪是湿地挺水植物立枯分解研究的主要方法;真菌组成了立枯体上微生物的大部分,对于立枯分解具有重要作用;环境因子（温度、水分等）和“基质质量”是影响挺水植物立枯分解过程的重要因素。在全球变化背景下,气候变化因子会直接或间接影响凋落物立枯分解过程,引起对气候变化的反馈,因此,在全球范围内开展气候变化对于湿地生态系统挺水植物立枯分解影响的研究具有重要的意义,必将成为凋落物研究的一个重要方向。     

干扰对森林凋落物分解影响的研究现状及展望

凋落物分解是森林生态系统物质循环和能量流动的核心环节。干扰能够影响凋落物分解速率和养分循环,进而改变森林生态系统的结构、功能及过程。文章通过整理干扰对森林凋落物分解影响的研究成果,从凋落物质与量、微环境及分解者类群等方面阐述了干扰对森林凋落物分解的影响机制,并分析现有研究的不足,为未来合理经营森林,增加适度干扰提供一定的理论依据。现有的研究表明,间伐等干扰会显著减少森林凋落物产量,改变凋落物化学特性并促进凋落物分解;干扰对凋落物分解环境的影响主要表现于对温湿度的调节,间伐能增加林内贯穿雨量,从而对湿度有显著提升作用;干扰对土壤动物的短期负面影响较为显著,而对微生物种类和数量则显著提高,从而有效地促进凋落物的分解,这主要归因于干扰改变了微环境与凋落物底物的质量;干扰通过改变土壤条件进而影响相关微生物分解酶的活性,酶活性越高,分解越迅速。干扰对林分结构、分解环境等影响因素的改变与凋落物分解之间的关系错综复杂,其中的机制与机理仍有待明晰;不同方式及程度干扰对森林恢复过程中凋落物分解模式的研究尚有待加深;建立干扰梯度以研究森林地上部分对地下部分的调控及反馈应受到重视;如何进行合理的森林经营以促进凋落物分解也需进一步研究。     

增温对南亚热带针阔叶混交林凋落物分解酶活性的影响

凋落物分解酶可以催化凋落物分解并且影响其分解速率,在生态系统物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用.采用海拔梯度改变而导致增温的方式探究南亚热带针阔叶混交林凋落物层6种分解酶活性对增温的响应特征及其影响因子.结果表明,湿季增温使酸性磷酸酶(AP)和纤维二糖酶(CBH)活性分别降低了36.08%和29.01%,干季增温使AP增加了49.90%,而β葡萄糖苷酶(BG)活性降低了21.07%,乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)没有受到增温的影响.增温对凋落物碳(C)、氮(N)、磷(P)含量和微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)没有显著影响.季节变化显著影响了凋落物N含量、C:N、N:P和MBC(P 0.05),增温和干湿季交互作用显著影响凋落物C:P(P 0.05).冗余分析表明不同季节凋落物MBC和凋落物N:P的变化是影响增温背景下南亚热带针阔叶混交林凋落物分解酶活性的主导因子.综上,在气候变暖的情况下,凋落物分解酶活性的变化可能有助于缓解养分对微生物的限制,形成新的养分利用模式来应对气候变化.(图4表4参43)     

氮沉降对森林土壤碳收支机制的影响

森林土壤储存着全球陆地生态系统大约45%的碳,在维持全球碳平衡方面具有重要的作用。不断加剧的全球氮沉降对森林生态系统碳循环和碳吸存产生了深刻的影响,进而改变了森林生态系统的生产力和生物量积累。本文以欧洲和北美温带地区开展的有关氮沉降对森林生态系统影响的研究为基础,提炼出最可能决定加氮影响碳输入、输出效应方向和大小的因素：凋落物分解、细根周转、外生菌根真菌、土壤呼吸及可溶性有机碳淋失,并探讨了森林生态系统碳动态对氮沉降响应的不确定性。陆地生态系统碳氮循环密切相关,由于氮循环的复杂性,尽管以往碳循环研究都考虑了氮对碳循环的限制作用,但在碳氮循环耦合机理方面的研究还比较少见。在未来研究中,应通过探寻森林土壤碳氮相互作用特征,及土壤微生物、土壤酶等与土壤碳氮过程的互动机制,来增进氮沉降对森林碳储量和碳通量的理解。     

中国不同气候类型森林土壤微生物群落结构及其影响因素

森林土壤微生物决定了森林生态系统的能量流动和物质循环,研究其群落结构和影响因素对于维持生态系统稳定性和应对全球气候变化具有重要意义。磷脂脂肪酸（PLFAs）因其仅在活体微生物中存在的特性,可以作为生物标志物直观反映土壤中不同种类微生物群落的生物量和群落结构。以土壤微生物为对象,采用PLFA方法,分析了中国全部6种气候类型中天然森林土壤中微生物的群落结构、生物量和理化性质,并采用相关分析和冗余分析方法分析了影响微生物群落结构的主要因素。结果表明,6种气候类型中,土壤容重、土壤pH、土壤凋落物碳质量分数、土壤有机碳质量分数、土壤总氮质量分数、土壤碳氮比和土壤总磷质量分数存在显著差异。真菌群落生物量在6种气候类型中存在显著差异,随气候类型从寒带-温带-热带变化中呈现先升后降的趋势。暖温带土壤真菌与细菌比值最高（0.7）,显著高于亚热带、热带土壤（0.4-0.5）。热带土壤和高原土壤的革兰氏阳性与阴性菌比显著高于其他气候类型（1.3-1.5）,亚热带土壤最低（0.7）。气候（年均温、年降水量）和土壤理化性质（土壤pH、土壤容重、土壤总氮质量分数和土壤有机碳质量分数）与PLFAs质量分数所代表的...     

A simulation model to evaluate the impacts of invasive earthworms on soil carbon dynamics

Recent studies have reported that earthworm invasions alter native communities and impact nutrient cycling in terrestrial ecosystems. We developed a simulation model to evaluate the potential impacts of earthworm invasions on carbon dynamics, taking into consideration earthworm feeding strategies and priming effects on the microorganisms through their casting activities. Responses of carbon stocks (forest litter, soil organic matter, microbial biomass and earthworm populations) and carbon fluxes (litter decomposition, earthworm consumption, and microbial respiration) were used to evaluate an earthworm invasion of a forest ecosystem. Data from a northern temperate forest (Arnot Forest, New York) were adapted for model calibration and evaluation. Simulation results suggest that the impact and outcome of earthworm invasions are affected by pre-invasion resource availability (litter and soil organic matter), invasive earthworm assemblages (particularly feeding strategy), and invasion history (associated with earthworm population dynamics). The abovementioned factors may also determine invasion progress of earthworm species. The accuracy of the model could be improved by the addition of environmental modules (e.g., soil water regimes), precise parameters accounting for individual species attributes under different environmental conditions (e.g. utilization ability of different types of food resources), as well as earthworm population dynamics (size and structure) and interactions with predators and other invasive/indigenous species during the invasion progress. Such an earthworm invasion model could provide valuable evaluation of the complicated responses of carbon dynamics to earthworm invasions in a range of forest ecosystems, particularly under global change scenarios.     

气候变化与土壤有机质的关系(英文)

在最近的地质历史中,气候变化的速率是史无前例的,它对地球生物圈产生了巨大的影响。土壤有机质中的碳是地球碳库的重要组成部分,它参与全球碳循环。土壤有机质分解而产生的CO2和CH4是重要的温室气体。土壤有机质对气候模型的反应较敏感;其总量取决于生物量生产与分解的平衡状态,以及土壤储存有机质的能力。就全球规模来说,土壤有机质沿着降水增加和温度下降的梯度而增加。温度是支配凋落物分解速率的重要环境因素,它甚至能改变凋落物分解的动力学。     

降水变化、氮添加对鼎湖山主要森林土壤有机碳矿化和土壤微生物碳的影响

全球变化对土壤有机碳(SOC)存贮与分解的影响在全球碳(C)循环中具有重要地位.分别通过室内土壤培养法和氯仿熏蒸法,研究了降水变化和氮(N)添加处理对鼎湖山3种不同演替阶段的季风常绿阔叶林、针阔混交林和马尾松针叶林SOC矿化和土壤微生物量碳(SMBC)的影响.结果表明:1)降水量增加能够提高森林演替晚期SOC累积矿化量和矿化速率,而对森林演替早期SOC累积矿化量和矿化速率没有显著影响(P>0.05).2)干旱条件(降水量减少)降低森林SMBC含量,且在鼎湖山季风林表层土壤(0～10 cm)中SMBC的减少达到显著水平(P<0.05).3)N添加处理对鼎湖山3种森林类型SOC累积矿化量、矿化速率以及SMBC都没有显著影响(P>0.05).未来关于SOC矿化对全球变化响应的研究,要综合考虑土壤有机质质量、C/N比例、外源性氮输入等因素的作用.图4表2参37     

Changes in microbial community characteristics and soil organic matter with nitrogen additions in two tropical forests

Microbial communities and their associated enzyme activities affect the amount and chemical quality of carbon (C) in soils. Increasing nitrogen (N) deposition, particularly in N-rich tropical forests, is likely to change the composition and behavior of microbial communities and feed back on ecosystem structure and function. This study presents a novel assessment of mechanistic links between microbial responses to N deposition and shifts in soil organic matter (SOM) quality and quantity. We used phospholipid fatty acid (PLFA) analysis and microbial enzyme assays in soils to assess microbial community responses to long-term N additions in two distinct tropical rain forests. We used soil density fractionation and 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to measure related changes in SOM pool sizes and chemical quality. Microbial biomass increased in response to N fertilization in both tropical forests and corresponded to declines in pools of low-density SOM. The chemical quality of this soil C pool reflected ecosystem-specific changes in microbial community composition. In the lower-elevation forest, there was an increase in gram-negative bacteria PLFA biomass, and there were significant losses of labile C chemical groups (O-alkyls). In contrast, the upper-elevation tropical forest had an increase in fungal PLFAs with N additions and declines in C groups associated with increased soil C storage (alkyls). The dynamics of microbial enzymatic activities with N addition provided a functional link between changes in microbial community structure and SOM chemistry. Ecosystem-specific changes in microbial community composition are likely to have far-reaching effects on soil carbon storage and cycling. This study indicates that microbial communities in N-rich tropical forests can be sensitive to added N, but we can expect significant variability in how ecosystem structure and function respond to N deposition among tropical forest types.     

气候变暖背景下森林土壤碳循环研究进展

由人类活动引起的温室效应以及由此造成的气候变暖对森林牛态系统的影响已引起人们的普遍关注.森林土壤碳循环作为全球碳循环的重要组成部分,是决定未来陆地牛物嘲表现为碳源/碳汇的关键环节,揭示这一作用对于准确理解全球变化背景下陆地生态系统碳循环过程具有重要的指导意义.本文主要通过论述影响土壤碳循环过程的5个方面(土壤呼吸、土壤微生物、土壤酶活性、凋落物输入与分解、土壤碳库),综述了近10 a来全球气候变暖对土壤碳循环过程的影响.近年来,尽管已开展了大量有关土壤碳循环对气候变暖的响应及反馈机制的研究,并取得了一定的成果,但研究结果仍然存在很大的不确定性.整合各种密切关联的全球变化现象,完善研究方法和实验手段,加强根际微生态系统碳循环过程与机理研究将是下一步研究的方向和重点.参70     

粤北亚热带山地森林土壤有机碳沿海拔梯度的变化

选择位于南岭国家级自然保护区的广东第一峰——石坑崆,从海拔300 m起到山顶部1 900 m范围,每隔100 m高程设置1条10 m×120 m的样带,共17条样带,研究土壤有机碳含量沿海拔梯度的变化规律及其与植被类型和凋落物层厚度的关系。结果表明,0～20 cm和>20～40 cm土层有机碳含量均随海拔梯度变化呈极显著差异(P<0.001),并随林分类型不同而呈高度显著差异(P<0.01),土壤有机碳含量总体上呈随海拔上升而升高的变化趋势。凋落物层厚度仅对0～20 cm土层有机碳含量有显著影响(P<0.05)。可见,海拔梯度变化是影响土壤有机碳含量的综合和主导因素,而最表层土壤有机碳含量还易受林分因子的影响,这些因子反映了土地利用变化及自然保护历史。该研究结果提示,减少人类活动的干扰和保持林地适合的凋落物层厚度有助于增加森林生态系统的碳储量。     

岩溶山区不同土地利用方式对土壤活性有机碳动态的影响

对贵州茂兰自然保护区内三种典型土地利用方式(林地、草地和耕地)下土壤活性有机碳组分(土壤溶解有机碳和土壤微生物量碳)的月变化及其对环境因子的响应进行了研究,结果表明在不同的土地利用方式下上覆植被类型不同,其凋落物数量、质量及分解行为不同,有机质的输入量及质量也不相同,从而形成不同的土壤溶解有机碳含量差异,土壤有机碳的大小也存在较大差别。研究结果显示:从全年平均值来看,林地土壤溶解有机碳分别比草地和耕地高25%、48%;从3月到8月,三者均随气温的上升呈增加的趋势,林地和耕地在8月均达到最大值,而草地则在10月达到最大值;林地和草地土壤微生物量碳分别高于耕地81%和45%,林地和草地在10月达到最大值。不同的土地利用方式导致土壤活性有机碳的差异较大,这说明岩溶生态系统中土地利用方式对土壤碳库的大小有较大影响。不同土地利用方式下土壤活性有机碳对环境因子的响应也各不相同,这表明土壤活性碳受众多因素的制约而呈现出一种动态平衡关系,进一步的机理仍需要进行深入研究。     

川西亚高山、高山森林土壤微生物生物量和酶活性动态特征

为深入了解川西亚高山/高山森林冬季生态学过程,于2008年11月─2009年10月,在土壤冻结初期、冻结期和融化期及植被生长季节,研究了不同海拔岷江冷杉林（Abies faxoniana）土壤微生物生物量和酶活性动态。各海拔森林土壤在冬季维持着较高的微生物生物量含量和酶活性,并随土壤冻融过程不断变化。土壤有机层和矿质土壤层冬季微生物生物量碳和氮含量及转化酶和尿酶活性均表现出受冻结初期土壤冻融循环影响显著降低,在冻结期变化不明显,在融化期急剧增加至融化后显著降低的趋势,且土壤有机层微生物生物量含量和酶活性在融化期具有一个明显的年高峰值。海拔变化显著影响了土壤酶活性,但对土壤微生物生物量不显著。土壤温度与土壤微生物生物量含量相关显著。这表明季节性冻融期是土壤生态过程的重要时期,土壤冻融格局显著影响川西亚高山/高山森林土壤微生物生物量和酶活性动态。     

Long-term forest-floor litter dynamics in Canada's boreal forest: Comparison of two model formulations

Litter decomposition is a key component in ecosystem material cycling that determines (i) forest soil carbon (C) and nutrient content, (ii) release of carbon dioxide to the atmosphere, and (iii) generation and mass transfer of dissolved organic carbon from terrestrial to aquatic ecosystems. In this study, we provide simulations of long term forest-floor litter dynamics generated with both (i) an existing forest nutrient cycling and biomass growth model (ForNBM) with a single-pool formulation of forest-floor litter decomposition (Zhu et al., 2003. Ecol. Model. 169, 347-360), and (ii) a revised version of the model produced by substituting the single-pool formulation with a three-pool version of the formulation tested against data from litterbag experiments (FLDM; Zhang et al., 2010. Ecol. Model. 221, 1944-1953). This is done to determine the importance of subdividing the litter mass into categories of rates of decay (i.e., fast, slow, and very slow) on model accuracy. Forest-forest litter dynamics simulated with the two models are subsequently compared against field measurements collected at several northern jack pine (Pinus banksiana) stands along a southwest-northeast oriented transect (climate gradient) associated with the Boreal Forest Transect Case Study in northwest Canada. Initial comparison shows that the single-pool formulation underpredicts residual litter mass when forests are <65 years old, largely due to the improper treatment of the very slow decomposing litter component. This underprediction is resolved when the three-pool formulation is used. From a ecosystems-response point of view, the revised ForNBM (with the three-pool formulation) demonstrates that (i) forest-floor litter initially increases with forest growth and reaches a plateau once the forest matures; (ii) the forest floor stores more litter and C at the southern and warmer sites than at the northern sites; and (iii) in a similar climate regime, the forest floor stores more litter and C at productive than at nutrient-poor sites.