荒漠生态系统C、N、P生态化学计量研究进展

生态化学计量学是通过研究生物有机体主要元素含量及其比值的变化关系,揭示生态系统各组分间元素循环规律的一门学科,生态化学计量也是荒漠生态系统研究的重要内容。因此,综合掌握水分和养分限制环境下C、N、P生态化学计量的关系对揭示荒漠生态系统植物的限制性元素、土壤营养的供给能力、养分的有效性等都具有重要的意义。基于此,回顾和分析了国内外荒漠生态系统C、N、P生态化学计量最新研究和动态,分别从植物、凋落物、土壤、土壤微生物、土壤酶进行较为系统的评述,讨论了植物-土壤-微生物-酶四者的关系,提出了荒漠生态系统C、N、P生态化学计量的未来研究方向,期望为全面理解固沙植被的演变过程、稳定性维持机制及其科学管理提供理论指导。     

秦岭山区沟渠植物和土壤CNP生态化学计量特征

探究山区城市沟渠湿地环境中植物与土壤中CNP生态化学计量特征,对于揭示植物对营养元素的吸收、净化以及植物对环境的适应与反馈能力,指导沟渠植被恢复重建和山区城市规划具有十分重要的意义。在秦岭山区的商洛市三条沟渠中测定了植物多样性及主要植物根、叶、土壤的C、N、P含量。结果显示:秦岭山区城市沟渠土壤C与全国平均水平相当,N含量高于而P元素含量远低于全国的平均水平,表现出沟渠土壤养分元素含量的不平衡。自然植被叶片C、N、P的平均含量分别为384.13(±19.35)、24.65(±7.64)和1.62(±0.53)mg/g,叶的元素含量显著高于根和土壤;C∶N、C∶P及N∶P分别为17.06(±7.20)、256.49(±78.59)、16.05(±5.85)。C∶N和C∶P之比低于全国平均水平,说明该地区城市沟渠自然植被固C效率低,沟渠植物的生长受到P限制。土壤与植物的N含量存在显著的正相关关系(P0.05),而C、P、C∶N、C∶P、N∶P间的相关性并不显著(P0.05),表明土壤的N含量影响植物体中的含量,同时土壤含量也受到植物凋落物的影响。植物对元素的吸收利用显著影响着土壤-植被间元素的相互作用和再分配模式。     

藏北高寒草原紫花针茅根系碳氮磷生态化学计量学特征

植物碳(C)、氮(N)和磷(P)元素平衡是当前生物地球化学循环和全球变化生态学研究的热点和焦点。以往关于植物营养元素的研究多集中于植物叶片水平,而对植物根系元素的研究较少。为此,沿藏北高寒草原安多-那曲-班戈-申扎-尼玛-改则-革吉-噶尔样带,在34个样点采集优势物种紫花针茅(Stipa purpurea)根系样品,分析其C、N和P元素含量及其相互比值与环境因子的关系。研究结果显示:紫花针茅根系C、N和P含量变化范围分别为357.17~458.99 mg/g,6.49~16.42 mg/g,和0.22~0.77 mg/g;紫花针茅根系N含量与全球植物根系平均值基本一致,但是其根系P含量低于全球平均值;紫花针茅根系C∶N∶P生态化学计量学特征受纬度、经度、生长季降水量、土壤磷含量的影响较为显著,而海拔、生长季均温和土壤氮含量对其影响则不显著。紫花针茅通过对高寒环境因子的长期适应,其根系C∶N∶P生态化学计量学特征已经形成了一定的空间分布格局。研究结果有助于揭示极端环境下植物对营养物质的分配和利用策略,为应对未来气候变化对高寒生态系统的影响提供参考。     

贡嘎山营养元素和重金属的生物地球化学研究现状与展望

本文对贡嘎山地区营养元素和重金属的生物地球化学循环的研究现状进行了总结,在此基础上探讨了未来须关注的热点和方向。目前围绕贡嘎山生态系统的碳(C)、氮(N)生物地球化学循环研究主要开展了C和N的分布特征、储量、凋落物中元素的归还与释放等方面的工作;磷(P)的生物地球化学研究包括不同海拔梯度和土壤演替阶段土壤P的形态、生物有效性、迁移转化及其影响因素、成土作用和微生物作用对土壤P的生物有效性的影响等;重金属的生物地球化学研究主要围绕重金属的赋存特征、来源、影响因素和潜在生态风险等方面。未来需要将大气-水-土壤-植物-微生物系统作为一个整体,系统研究养分元素的生物地球化学循环过程和机制以及重金属的迁移转化和关键控制因素,加强各元素生物地球化学循环耦合关系研究,建立多种元素循环的耦合模型,为山地生态安全和生态修复提供理论基础。     

蒋家沟干热河谷区灌草层植被与土壤的养分分布及生态化学计量特征

蒋家沟干热河谷区泥石流与滑坡灾害频发、植被枯败稀疏、土壤结构紊乱、生态环境脆弱,是金沙江上游生态严重退化的典型流域。植被和土壤在退化生态系统修复和治理中扮演着至关重要的角色。对该流域植被与土壤的研究,多侧重从单一物种或土壤酶活性等角度分析植被与土壤的养分耦合关系,缺少对灌草层植物体养分含量与土壤养分含量的耦合机制研究,即植被-土壤耦合机制机理尚不明确。本文选取蒋家沟干热河谷区典型灌草层植被,研究碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)元素在植被地上、根系和土壤的养分分布和生态化学计量特征及其相关性。结果显示：(1)与全国陆地植物平均水平相比,干热河谷区灌草层植被地上和根系表现出低C,高N、P、K的特点;土壤表现出低C高P的特点。(2)植被地上部分的C、N、P、K含量均显著高于根系,C、N、P含量均显著高于土壤;土壤K含量(56.05 g/kg)显著高于植被地上(18.43 g/kg)和根系(8.41 g/kg);除P∶K外(地上0.10>根系0.09>土壤0.01),其余5种化学计量比均表现为根系>地上>土壤。(3)灌草层植被地上、根系N、P、K含量及生态化学计量...     

中亚热带杉木人工老龄林林下植被叶片碳氮磷化学计量特征

以福建省三明市莘口教学林场小湖工区杉木人工老龄林林下87种植物为研究对象,比较不同功能群植物叶片碳氮磷化学计量特征,分析植物各叶片碳氮磷含量。结果显示:杉木人工老龄林林下87种植被叶片C、N、P的平均含量分别为447.45、18.14和0.71 mg·g-1,叶片C∶N、C∶P及N∶P比值分别为26.56、704.94和27.10,不同生活型植物的C、N、P含量均存在显著差异,C∶P和N∶P在不同生活型植物间不存在显著差异,相关分析表明植物的叶片C∶N、C∶P都与相应的N、P含量呈现极显著负相关性(P0.01),而叶片N含量与P含量的变化并不相关。以上研究结果表明,受外部环境的影响,中亚热带杉木人工植被植物对养分元素的利用效率显著低于全国陆地植物的平均水平,不同科和不同生活型功能群植物对环境的适应能力显著不同,表现出显著的养分适应策略差异性。     

草地改良对陆地生态系统养分的影响——以福建省建瓯市牛坑龙草地生态系统试验站为例

以福建省建瓯市牛坑龙草地生态系统试验站为例,研究了土地覆被类型从荒坡地到人工草地的转变所引起的陆地生态系统养分含量和营养元素循环系数的变化。结果表明,随着土地覆被类型由荒坡地到人工草地的转变,陆地生态系统土壤中N、P、K的含量增加,而Al的含量逐渐降低;植被中的养分也经历了从无到有的历程,整个陆地生态系统养分贮存量的变化中N、P、K总量增加,而Al的总量减少。在陆地生态系统的两个群落中,所有元素的循环系数都发生了相应变化,这种变化是陆地生态系统对土地覆被类型变化的一种响应。     

不同生境下三种荒漠植物叶片及土壤C、N、P的化学计量特征

以新疆地区三种典型荒漠植物梭梭、多枝柽柳和沙拐枣为研究对象,分别研究其不同生境(塔克拉玛干沙漠腹地塔中植物园—植物园,古尔班通古特沙漠明渠免灌林—免灌林,以及各自的原生生境—原始生境)下三种植物叶片和土壤的生态化学计量特征,每个处理5个重复。研究结果显示:土壤C、N、P含量在不同生境中的分布趋势相似,均表现为柽柳原生地和植物园较高,其他三者相对较低(P0.05)。然而C∶N和C∶P在柽柳原生地中最大,植物园、免灌林和梭梭原生地次之,而沙拐枣原生地最小。N∶P在不同生境中不存在显著差异(P0.05),这说明N和P含量在不同生境中的变化是一致的,即干旱区土壤保持了相对较为稳定的N∶P。三种植物叶片C含量存在一定差异,总体表现为沙拐枣最高,其次为柽柳,梭梭相对较小(P0.05),然而,植物叶片的N、P含量主要受物种影响,生境对植物叶片N、P含量影响不显著,叶片N∶P均值为15.91±0.68,介于14和16之间,说明该区三种植物生长受N和P共同限制,然而N∶P在不同生境及不同物种的协同作用下不存在显著差异(P0.05),说明干旱区的这三种植物叶片在不同生境中具有相对较为恒定的N∶P。这也进一步说明了这三种植物叶片的N∶P不随生境土壤N、P含量的变化而变化,即就是这三种漠植物具有相对较高的内稳性机制,进而使其具备了较强的适应极端环境(干旱,贫瘠,盐碱)的能力。     

古尔班通古特沙漠典型灌木群落土壤化学计量特征及其影响因素

对古尔班通古特沙漠3种典型灌木群落77个样地的0～10 cm层土壤及环境因子进行调查取样,分析了土壤有机碳（C）、全氮（N）、全磷（P）及全钾（K）的化学计量特征及其影响因素。结果表明：土壤C、N、P、K含量均值分别为1.057、0.133、0.319、14.11 g·kg^-1,C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K值分别为8.124、3.486、0.099、0.434、0.013、0.034。本研究土壤C、N、P养分元素含量及其化学计量比均远低于全球及全国平均水平。C∶N和P含量具有较高的稳定性（CV=19.26%和22.46%）,而K、C∶K、N∶K和P∶K变异性较强（CV=52.17%～80.30%）。土壤化学计量特征在不同群落类型间、不同结皮类型间均有一定差异。C-N、C-K、P-K之间以及土壤养分与其化学计量比之间具有显著的非线性耦合关系,可用二次函数、幂函数或指数函数等非线性函数表征。相关性分析和CCA排序分析表明,除C∶N不受所调查环境因子影响外,土壤化学计量特征主要受经度、纬度、年降水量、生物结皮发育等级、电导率及海拔的影响。     

阿拉善荒漠典型植物功能群氮、磷化学计量特征

氮（N）、磷（P）作为荒漠生态系统重要的养分元素和限制性因子,在维持植物功能群组成及结构稳定、生态系统内养分循环中发挥着重要的作用。本研究沿水热梯度从东至西在阿拉善荒漠设置52个调查样地,通过对优势植物的调查取样,分析了荒漠植物不同功能（类）群N、P元素的生态化学计量特征,并就N、P含量及N：P值对荒漠植物的限制性作用进行了检验和讨论。结果显示：（1）所调查阿拉善荒漠区植物叶片的N、P含量分别为10.65±7.91 mg·g^-1和1.04±0.81 mg·g^-1,N：P值为11.53±5.06,叶片N含量与P含量及N：P值均显著正相关,P含量与N：P值显著负相关;通过对比分析认为该区植物同时受到N、P双重制约,且更易受N限制。（2）从植物生活型比较,认为草本植物叶片N、P含量均高于灌木植物叶片,而灌木植物叶片的N：P值大于草本植物;对光合作用途径分析发现,C₃植物叶片N含量高于C₄植物叶片,而C₄植物叶片P含量高于C₃植物叶片;从系统发育类型方面分析,认为单子叶植物叶片N含量低于双子叶植物叶片N含量,而P含量则高于双子叶植物叶片P含量。     

两种白刺叶片及沙堆土壤化学计量学特征的比较

在植物叶片氮、磷化学计量学研究中,氮磷比常作为判断土壤养分限制性的指标,其适用范围从海洋、湖泊等水生生态系统扩展到陆地生态系统。以生长在民勤绿洲的毛瓣白刺(Nitraria praevisa)和唐古特白刺(N. tangutorun)为研究对象,分别测定叶片N、P含量以及沙堆各层土壤有机质、N、P含量,以探讨两种白刺叶片及其沙堆土壤化学计量学特征的关系。研究结果表明:①白刺叶片的N、P含量之间存在显著的正相关关系;②两种白刺沙堆各项土壤养分指标差异极显著(P<0.01);③毛瓣白刺沙堆土壤的N含量在0～20 cm土层存在富集现象,唐古特白刺沙堆土壤的有机质、N、P含量在20～40 cm土层存在富集现象;④在水分为最主要的限制性因子的荒漠生态系统中,能否以叶片N∶P作为判定营养元素限制性的标准,值得进一步探讨。     

生态系统氮磷比化学计量特征研究进展

通过对国内外关于氮磷比化学计量特征研究文献的大量阅读,总结了在陆地生态系统和水域生态系统中氮磷比化学计量特征的意义。在陆地生态系统中,土壤中的氮磷比与固氮共生体及非共生体的生物固氮量呈反比例关系;土壤中的氮磷比化学计量特征发生变化会影响植被动态;土壤中氮磷比化学计量特征的变化对物种多样性及生产力产生影响,尤其是磷限制濒危物种的生产力及丰富度;植物体中的氮磷比化学计量特征可以体现氮和磷两种营养元素的供应状况及相对有效性,对植被恢复和濒危物种管理工作起到重要作用。在水域生态系统中,水体中的氮磷比与水生生物的固氮量呈反比例关系,并且会影响水生植物的生长及水生生物群落的组成。     

The Influence of Plantation on Soil Carbon and Nutrients: Focusing on Tibetan Artificial Forests

As terrestrial ecosystem carbon (C) sinks, plantation ecosystems play essential roles in species diversity protection, resource supply and climate change. Artificial afforestation is of great important in improving the ecological condition, economic development and production in Tibet. Forests can improve soil property changes, yet the understanding of how plantations influence soil C and nutrient conditions in Tibet is still insufficient. This review combines with previous studies to explore the characteristics of soil nutrients, involving nitrogen (N) and phosphorus (P) on Tibetan poplar plantations. Generally, plantations have better abilities in improving the soil C and N cycles, and enhancing the soil stability. In this review, we further analyze the factors, including the modality of land-use, afforested period, tree species, climate factors and soil properties, which may affect the soil C and nutrients. (1) The patterns of land-use affect the accumulation of soil organic matter, thus influence the accumulation of soil C and nutrients; (2) Soil C and N increase with the years of artificial forests, while soil P is on the contrary; (3) The effects of different tree species on soil C and nutrients vary widely; (4) In terms of climate, the C sink of Tibetan plantation soil is most likely to be affected by precipitation, while the nutrient is more likely to be influenced by temperature; (5) Among soil properties, the most related factor to C is soil texture. Furthermore, our review pointed out that future research on soil ecological functions should be focused on soil microbes on Tibet plantation. At the end, we concluded three major challenges for the future research. Therefore, this review contributes to a better understand the effects of plantation on soil C and nutrients on the Tibetan Plateau.     

黄土丘陵区典型退耕恢复植被土壤生态化学计量特征

为探究不同植被土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）化学计量特征及其影响因素,以黄土丘陵区油松、刺槐、沙棘和草地4种典型退耕恢复植被0~100 cm土壤为研究对象,分析不同植被土壤有机碳（SOC）、全氮（STN）、全磷（STP）含量及其化学计量特征。结果表明：（1） 不同恢复植被对土壤养分含量有显著影响,刺槐的SOC、STN最高,油松的SOC、STN最低,STP表现为草地>刺槐>油松>沙棘。（2） 不同恢复植被土壤养分具有“表聚性”,随土层深度增加,SOC和STN含量呈下降趋势,而STP的变异性较弱。特别是刺槐的SOC和STN在60~100 cm呈增加趋势。（3） 不同恢复植被土壤SOC:STN（C:N）、SOC:STP（C:P）差异不显著（P>0.05）,刺槐的土壤STN:STP（N:P）显著高于其他植被类型（P<0.05）,土壤C:N、C:P、N:P均低于全球及全国平均水平,研究区有机质的分解速率较快,P的有效性高,植被生长主要受N元素限制。（4） 研究区土壤C:N、C:P和N:P主要受SOC和STN影响;土壤养分与土壤含水量（SWC）和土壤容重（BD）呈负相关,与土壤粉粒（slit）和黏粒（clay）含量呈正相关,STP对土壤细颗粒的响应强度大于SOC和STN。研究区土壤化学计量在不同退耕恢复植被间差异显著,其中刺槐的土壤养分含量较其他植被类型更好,可为该地区植被恢复工作进一步开展提供参考。     

海滨湿地生态系统的热点研究

海滨湿地具有强大的生态服务功能,然而由于人类活动的长期和强烈干扰,导致该系统严重受损和退化。海滨湿地生态系统的严重退化引起国内外学术界的高度关注。有关其退化及生态恢复的研究热点涉及该系统的演化与机制、对外来种入侵的响应与生态控制、退化海滨湿地生态系统的修复、生态系统健康的评估及其保护与利用平衡的研究。本文综述了上述热点研究的进展,有利于把握国际前沿研究动态,借鉴最新研究方法和经验,推动我国在这一领域的研究尽快赶上国际先进水平。     

霸王根茎叶非结构性碳与C:N:P计量特征对干旱的响应

通过选取阿拉善地区3个典型霸王群落为研究对象,研究霸王器官间(根、茎、叶)生态化学计量比特征及非结构性碳水化合物(Non-structural carbohydrates,NSCs)的变化,以便加深对霸王生存策略的理解,更好的服务于荒漠生态系统的生态恢复.结果 表明:霸王茎和叶中可溶性糖(Solu?ble sugar,...     

草地改良对陆地生态系统养分的影响--以福建省建瓯市牛坑龙草地生态系统试验站为例

Both land use/land cover change (LUCC) and the effects of nutrients cycles on terrestrial ecosystems and biodiversity are key environmental problems in the 21st century (Yang etal., 2002; Li, 1996; Bai and Bai, 1998). Land cover change is the accumulated result of land use, which includes three types, i.e., deterioration, transition and amelioration of land cover (Cai, 2001). The nutrient cycle is the main functional process to maintain stability and production of an ecosystem. Land cover …     

中国气候变化的植物信号和生态证据

全球平均气温上升、降水格局变化、极端天气事件发生的频率和强度增大等气候变化现象已经对陆地生态系统产生了影响,物种、群落和生态系统响应于气候变化而发生的改变,可以作为气候变化的间接生物学和生态学证据,对未来气候变化的影响评价有重要的价值,尤其是对减缓和适应全球气候变化的"地球系统科学"研究以及可持续生态系统管理与发展对策的制订,具有重要的意义。在国际气候变化的生物学证据研究的大背景下,总结了中国陆地生态系统响应过去气候变化的植物学信号和生态学证据:(1)物种水平:气候变暖导致中国33°N以北大部分地区植物春季物候期包括萌芽、展叶、开花期等显著提前,植被生长季延长;(2)群落水平:群落物种组成和分布发生改变,主要表现在长白山等高山群落交错带物种组成和林线位置的变化以及青藏高原高寒草甸的退化;(3)生态系统水平:全国总体植被盖度增加,植被活动加强,生产力增加;北方和西部地区农业植被的耕作制度、种植结构、耕种面积和产量发生变化,东北地区水稻种植面积和产量增加,但全国大部分地区农作物产量和温度呈负相关,这将威胁到未来的粮食安全。     

Effects of grassland amelioration on terrestrial ecosystem nutrients:a case study in Jianou Niukenglong Grassland Ecosystem Experimental Station, Fujian Province

This paper studies the effects of land cover changes on distributions and circulations of nutrients in a terrestrial ecosystem, taking Jianou Niukenglong Grassland Ecosystem Experimental Station as a case study. During a two year experiment from 1994 to 1996, the land cover types were changed from desert slopeland to grasslands, in particular, Chamaecrista rotundifolia(pers) green + Pasalum thunbergii and Glycine max var. + Pasalum thunbergii. In order to study land cover change effects on nutrients in the terrestrial ecosystem, we selected organic materials (OMs), nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and aluminum (Al) to study their changes in total soil nutrient concentrations, nutrient reserves in soil, distributions and reservations of nutrients in distinct grassland communities and overall nutrient contents reserved in terrestrial ecosystem, and their circulation with land cover change. The experimental results indicate that with the increase of vegetation coverage, the total concentrations of N, P and K grow rapidly in the soil, but that of Al decreases markedly. The increases of the total concentrations of N, P and K were mainly the consequences of changes of the factors that affect soil evolution, e.g., soil moisture, and changes of soil evolution processes, e.g., weathering rate and the decrease of soil erosion. These changes were caused by land coverage growth from desert slopeland to grassland. With the change of the land cover types and the increase of land coverage, the activity of Al accelerated as well, and the vertical penetration and lateral penetration of Al have been increased. Therefore, the loss of Al within the experimental terrestrial ecosystem was inevitable, and the total concentration and reserve of Al in soil have become smaller and smaller, in spite of the growth of grass absorbing some amounts of Al. The Al reserve has increased in vegetation, but it has declined in total terrestrial ecosystem. Land cover change also affects the circulations of nutrients in the terrestrial ecosystem and for the purpose of study on nutrient circulations, we choose to study plant absorption, litter and reservation of nutrients to establish an index to indicate the situations of nutrient circulations within terrestrial ecosystems. The results indicate that in the two land cover types (two grassland ecosystems), the sequence of nutrient circulation indices are N > K > P > Al in Chamaecrista rotundifolia(pers) green + Pasalum thunbergii and P > N > K > Al in Glycine max var. + Pasalum thunbergii. On the basis of the study, we can conclude that land cover change affects both distributions and circulations in the terrestrial ecosystem, and that different changes have distinct influences on distributions and circulations. Some nutrients were affected differently in some contents.