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国内土壤科研进展(2019年第7期)|研究

原作者: 土壤观察 收藏 分享 邀请

导  读


共5则。

来源:中国科学院网站近期相关报道、作者来稿


华南植物园揭示氮磷交互作用对陆地植物生长的影响及机理


氮、磷是植物生长必需的两种养分元素,氮、磷有效性与植物生长的关系历来都是学者们关注的焦点。传统观点认为,植物生长在高纬地区往往是受氮的限制,而在低纬地区则是受磷的限制。新近研究结果表明,植物生长普遍受到氮磷的共同限制,且这种共同限制会因氮磷交互作用程度与方向的不同而不同,呈现这一结果的研究主要是基于植物地上部分生物量的反应,而对表征植物生长的其它变量与氮磷交互作用的关系并没有得到有效的研究。因此,氮磷交互作用如何通过影响土壤氮磷有效性、植物养分吸收、植物养分浓度以及植物氮磷比,进而影响植物生产力,仍是科学认识上的盲区。


针对这一科学问题,中国科学院华南植物园陆面生物地球化学循环研究组博士后江军在其合作导师王应平与闫俊华的共同指导下,以133篇全球氮磷施肥实验 (control, +N, +P, +NP) 研究论文的1818个有效观测数据为基础,运用协同效应、对抗效应和可加效应的分类方法,全面量化并评估了不同陆地生态系统类型(热带森林、草地、湿地以及苔原)植物生长的10个相关变量对氮磷交互作用的响应,并深入分析了不同交互作用模式的机理。研究结果表明,不同生态系统自身氮、磷限制程度的不同,导致其对氮磷交互作用的响应不同。热带森林植物地上生物量对氮磷协同效应的响应最小,苔原响应最大。热带森林植物叶片氮磷比仅表现出可加效应,草地、湿地和苔原却呈现出一致的协同降低效应。同时,氮磷交互作用对热带森林土壤有效磷、草地叶氮以及苔原叶磷浓度均有不同程度的对抗效应。总体而言,氮磷交互作用促进了植物对氮、磷的吸收。为了维持养分的化学计量平衡,植物倾向于通过调节自身组织的氮磷浓度、生物量产量以及对土壤有效氮、磷的吸收,获得最优的生长与繁殖。


该研究成果于近日发表在国际农林科学期刊Plant and Soil上。该研究得到国家杰出青年科学基金“陆表过程与环境变化”(41825020) 的支持。


论文链接


https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11104-019-04119-5

 

图1 氮、磷添加对植物生长影响的单独、联合以及交互效应



图2 植物生长变量、施肥处理与环境变量之间的关系



沈阳生态所揭示臭氧与重金属污染对植物影响的互作机制及臭氧减缓效应


全球近地表臭氧浓度升高已成不争事实,臭氧已成为近年来我国许多城市的空气首要污染物。沈阳市作为我国东北重工业生产基地,尽管近年来城市森林及环境质量得到了较大改善,但城市臭氧及土壤重金属污染问题依然严峻,复杂的城市环境导致植物的生长往往受到多重环境因子的影响或胁迫。中国科学院沈阳应用生态研究所城市生态研究组,围绕城市森林植物,长期开展高浓度臭氧及重金属污染对园林植物的影响及抗性筛选研究工作。


该研究组利用中科院沈阳树木园城市野外实验平台,通过开顶箱模拟实验,开展了我国北方城市常见行道树种银中杨(也是我国绿化及防护林建设的重要速生树种)对高浓度臭氧及重金属镉复合作用的生理响应研究。结果表明,土壤重金属高镉污染增加了植物对臭氧的敏感性,加剧了臭氧对植物的氧化胁迫并诱导出更为严重的可见伤害(图1);臭氧熏蒸反过来也显著促进了植物对土壤重金属镉的吸收和积累(图2);两种非生物胁迫对杨树根、总生物量及根冠比的影响均存在显著的交互叠加效应。这些研究结果为我国应对区域臭氧及土壤重金属污染的植物引种、城市绿化及土壤生态修复等方面提供科学参考。


同时,为减缓臭氧污染对树木的不利影响,研究组还通过植物叶面喷施EDU抗臭氧试剂(一种含氮的脲类化合物),研究其对银中杨抗性生理及BVOC排放的影响(图3)。结果显示,EDU (600 mg/L)预处理能显著增加SOD酶活,可有效减缓臭氧对银中杨生长及光合作用的不利影响,首次研究并发现EDU这种试剂还能够通过促进植物BVOC的产生提高抗植物臭氧能力(图4),但也可能会增加臭氧产生的风险,特别是在其它臭氧前体物如氮氧化合物浓度较高的地区,因此,对于EDU这种抗臭氧化学试剂的应用利弊尚需要进行大量研究。


相关成果分别发表在环境科学期刊Ecotoxicology and Environmental Safety 和Journal of Environmental Sciences上。沈阳生态所副研究员徐胜为第一作者,研究员何兴元为通讯作者。以上研究获国家自然科学基金的支持。


文章链接:


https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0147651319302167?via%3Dihub


https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001074219303432


 

图1.土壤镉添加加剧了臭氧对银中杨叶片的伤害


 


图2.臭氧加剧了土壤镉在植物体内的积累


 

图3.叶面喷施EDU实验设计示例


 

图4.EDU对臭氧处理下植物VOC排放速率的影响




华南植物园发现土壤湿度变化对南亚热带森林土壤碳分解的微生物调控机制的影响


了解微生物对土壤碳循环的调控机制有利于人们更好地理解全球环境变化下土壤碳的动态变化情况。然而,大多数的土壤碳模型缺乏对微生物的参数控制并且缺乏长期野外观测数据的验证。


中国科学院华南植物园鼎湖山站副研究员黄文娟在美国橡树岭国家实验室开展合作研究期间,与华南植物园研究员周国逸等及美国王纲胜博士、Melanie A. Mayes博士等开展合作研究,利用鼎湖山站亚热带森林土壤异氧呼吸的长期观测数据对土壤碳模型的微生物参数进行校正,并利用校正后的模型模拟针叶林(PF)和阔叶林(BF)土壤碳对未来环境变化的响应规律。结果表明,土壤水分下降将会显著增加土壤碳的积累;相比之下,土壤温度变化对土壤碳的影响较小;凋落物增加可以显著提高针叶林土壤碳含量,但其对阔叶林土壤碳的影响不显著。该研究结果很好地验证了微生物对土壤碳分解的调控作用,并表明了在热带与亚热带地区,未来土壤碳对土壤湿度变化比对土壤温度变化更为敏感。


相关研究结果已于近期在线发表在Soil Biology & Biochemistry上。该研究得到国家自然科学基金等资助。


论文链接


https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071718304279


南亚热带森林土壤碳对未来环境变化(土壤温度上升、土壤湿度下降和凋落物增加)的响应规律


亚热带生态所揭示喀斯特草地生态系统菌根真菌对外源氮输入的响应机制


近日,中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站研究员王克林团队在西南喀斯特草地生态系统菌根真菌对外源氮输入的响应研究中获得新进展。


我国是世界上喀斯特面积最大的国家,不合理的土地利用导致该区养分快速丢失,植被演替初级阶段普遍处于“氮限制”状态。外源氮(N)输入是生态系统氮限制消减的重要途径,而土壤丛枝菌根真菌(AMF)能有效增加植物对N和磷(P)等矿质养分的吸收和转运。目前,喀斯特草地土壤AMF对N输入的响应及其效应仍不清楚。


基于此,以典型喀斯特自然草地生态系统为研究对象,通过模拟N沉降(N:100 kg N ha-1 yr-1;P:50 kg P ha-1 yr-1)和引种不同密度豆科固氮灌木(紫穗槐和深紫木蓝)试验,研究了AMF丰度、多样性和群落结构的响应特征。研究结果发现,Glomus是喀斯特地区的优势种属(图3)。不同的季节显著影响AMF群落组成与结构,AMF多样性在生长季(夏季)低于非生长季(冬季),但是AMF丰度呈现相反的响应方式。在生长季,N添加显著增加AMF丰度,而P添加显著提高AMF多样性(图1,2)。但是,N和P的添加没有显著改变AMF的群落结构(图3)。对于固氮灌木的种植,不同豆科植物和种植密度的交互作用显著影响AMF丰度和群落结构。在生长季,低密度种植固氮灌木显著提高AMF丰度,而高密度种植深紫木蓝显著减少AMF丰度(图4)。不同途径(沉降N和生物固N)N输入通过影响土壤可利用性养分改变AMF群落。研究结果说明:N输入会加剧喀斯特草地土壤P营养的相对不足,草丛群落通过改善土壤AMF群落提高P的吸收。在喀斯特退化区域植被恢复过程中,豆科固氮植物引入与菌根真菌群落对提升生态系统养分有效性具有重要潜力。这些研究为脆弱生态系统的恢复和农业生态系统优化管理提供理论基础和数据支撑。


以上研究成果近期分别发表在Biology and Fertility of Soils 和Science of the Total Environment上。研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、中科院亚热带农业生态研究所青年创新团队项目的资助。


论文链接


https://link.springer.com/article/10.1007/s00374-019-01362-x


https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719318285


 


图1 AMF丰度和多样性对自然草地N和P添加的响应


 


图2 自然草地N和P添加下不同季节AMF群落结构的差异


 


图3 自然草地N和P添加对AMF群落结构的影响


 

图4 AMF丰度、多样性和群落结构对不同豆科灌木和种植密度的响应



人工种植与自然恢复植被对地质灾害多发区土壤结构的影响


土壤侵蚀和浅层滑坡是世界范围内的主要环境问题,这两种过程都会导致土壤生态功能退化,其中土壤结构对土壤生态功能的影响尤为突出。植被恢复作为改善土壤结构的有效措施被广泛认可,但人工种植与自然恢复植被类型对土壤结构影响的机理和差异性,在不同的研究区尚未得到统一认识。


植被通过根系对土壤边坡施加生物物理作用,增强土壤团聚体含量,改变土壤孔隙度,形成稳定的土壤结构从而有效防止浅层滑坡和其他类型的土壤退化。 近日,兰州大学资源环境学院汪霞副教授及其团队以西北半湿润地区典型滑坡易发区—甘肃省武都区为研究对象,研究了自然植被恢复和人工种植措施对地质灾害易发区土壤结构(土壤团聚结构和土壤孔隙度)的影响。结果显示,与裸地相比,天然植被和人工林恢复8年后土壤总孔隙度、持水率和入渗率显著增加,而容重显著降低。两种修复方案的土壤pH、容重、砂粉含量与土壤团聚体含量和总孔隙度呈负相关。植被恢复措施(自然恢复和人工种植)改善了土壤团聚体含量、总孔隙度和土壤结构稳定性,降低了土壤侵蚀和浅层滑坡等地质灾害的影响。

   

Classified dye patterns at each depth interval in the various experimental plots.


此外研究还发现,在半湿润地区两种植被恢复措施对土壤团聚体和总孔隙度的改善程度不同。冗余分析(RDA)结果显示,土壤团聚体含量和总孔隙度在自然植被下土壤结构指标变化的贡献大于人工林,即自然植被对土壤结构的土壤团聚体含量和总孔隙度的影响大于人工植被。

 



Redundancy analysis (RDA) ordination diagram for soil aggregates (SAs) and total soil porosity (TSP) with soil physicochemical variables of topsoil (0–20 cm) in the various experimental plots.


该研究结果为半湿润地区天然植被和人工林对土壤结构的影响提供了科学认识,也为半湿润地区水土流失易发地区退化生态系统的恢复和保护提供了理论依据。研究得到国家自然科学基金(NSFC 41572332)、甘肃省重点研发计划(17YF1FA131)和国家科技基础资源调查专项(2017FY100900)的资助。近日以“A comparison of the effects of natural vegetation regrowth with a plantation scheme on soil structure in a geological hazard-prone region”为题发表在国际期刊European Journal of Soil Science上。


原文链接


https://doi.org/10.1111/ejss.12781


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本文作者2019-5-19 08:59
土壤观察
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