全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 21 期摇 摇 2012 年 11 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
白洋淀富营养化湖泊湿地厌氧氨氧化菌的分布及对氮循环的影响 王衫允,祝贵兵,曲冬梅,等 (6591)………
造纸废水灌溉对滨海退化盐碱湿地土壤酶活性的响应 夏孟婧,苗颖,陆兆华,等 (6599)………………………
图们江下游湿地生态系统健康评价 朱卫红,郭艳丽,孙摇 鹏,等 (6609)…………………………………………
适应白洋淀湿地健康评价的 IBI方法 陈摇 展,林摇 波,尚摇 鹤,等 (6619)………………………………………
基于 MODIS的洞庭湖湿地面积对水文的响应 梁摇 婕,蔡摇 青,郭生练,等 (6628)……………………………
崇明东滩湿地不同潮汐带入侵植物互花米草根际细菌的多样性 章振亚,丁陈利,肖摇 明 (6636)……………
中国东部亚热带地区树轮 啄13C方位变化的谐波分析 赵兴云,李宝惠,王摇 建,等 (6647)……………………
甘肃臭草型退化草地优势种群空间格局及其关联性 高福元,赵成章 (6661)……………………………………
川西亚高山 /高山森林土壤氧化还原酶活性及其对季节性冻融的响应 谭摇 波,吴福忠,杨万勤,等 (6670)…
模拟分类经营对小兴安岭林区森林生物量的影响 邓华卫,布仁仓,刘晓梅,等 (6679)…………………………
苹果三维树冠的净光合速率分布模拟 高照全,赵晨霞,张显川,等 (6688)………………………………………
拟茎点霉 B3 与有机肥配施对连作草莓生长的影响 郝玉敏,戴传超,戴志东,等 (6695)………………………
落叶松林土壤可溶性碳、氮和官能团特征的时空变化及与土壤理化性质的关系
苏冬雪,王文杰,邱摇 岭,等 (6705)
………………………………
……………………………………………………………………………
人工固沙区与流沙区准噶尔无叶豆种群数量特征与空间格局对比研究
张永宽,陶摇 冶,刘会良,等 (6715)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
山地河流浅滩深潭生境大型底栖动物群落比较研究———以重庆开县东河为例
王摇 强,袁兴中,刘摇 红 (6726)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
荣成俚岛人工鱼礁区游泳动物群落特征及其与主要环境因子的关系 吴忠鑫,张摇 磊,张秀梅,等 (6737)……
北黄海秋、冬季浮游动物多样性及年间变化 杨摇 青,王真良,樊景凤,等 (6747)………………………………
鄂尔多斯市土地利用生态安全格局构建 蒙吉军,朱利凯,杨摇 倩,等 (6755)……………………………………
村落文化林与非文化林多尺度物种多样性加性分配 高摇 虹,陈圣宾,欧阳志云 (6767)………………………
不同生计方式农户的环境感知———以甘南高原为例 赵雪雁 (6776)……………………………………………
两种预测模型在地下水动态中的比较与应用 张摇 霞,李占斌,张振文,等 (6788)………………………………
四川黄龙沟少花鹤顶兰繁殖成功特征 黄宝强,寇摇 勇,安德军 (6795)…………………………………………
硝化抑制剂对蔬菜土硝化和反硝化细菌的影响 杨摇 扬,孟德龙,秦红灵,等 (6803)……………………………
新疆两典型微咸水湖水体免培养古菌多样性 邓丽娟,娄摇 恺,曾摇 军,等 (6811)………………………………
白洋淀异养鞭毛虫群落特征及其与环境因子的相关性 赵玉娟,李凤超,张摇 强,等 (6819)……………………
双酚 A对萼花臂尾轮虫毒性及生活史的影响 陆正和,赵宝坤,杨家新 (6828)…………………………………
孵化温度对双斑锦蛇初生幼体行为和呼吸代谢的影响 曹梦洁,祝摇 思,蔡若茹,等 (6836)……………………
黄玛草蛉捕食米蛾卵的功能反应与数值反应 李水泉,黄寿山,韩诗畴,等 (6842)………………………………
互惠鄄寄生耦合系统的稳定性 高摇 磊,杨摇 燕,贺军州,等 (6848)………………………………………………
超微七味白术散对肠道微生物及酶活性的影响 谭周进,吴摇 海,刘富林,等 (6856)……………………………
专论与综述
氮沉降对森林生态系统碳吸存的影响 陈摇 浩,莫江明,张摇 炜,等 (6864)………………………………………
全球 CO2水平升高对浮游植物生理和生态影响的研究进展 赵旭辉,孔繁翔,谢薇薇,等 (6880)………………
跨界自然保护区———实现生物多样性保护的新手段 石龙宇,李摇 杜,陈摇 蕾,等 (6892)………………………
研究简报
会同和朱亭 11 年生杉木林能量积累与分配 康文星,熊振湘,何介南,等 (6901)………………………………
退化草地阿尔泰针茅生殖株丛与非生殖株丛的空间格局 任摇 珩,赵成章,高福元,等 (6909)…………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*326*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄11
封面图说: 白洋淀是华北地区最大的淡水湖泊湿地。 淀区内沟壕纵横交织错落,村庄、苇地、园田星罗棋布,在水文、水化学、生
物地球化学循环以及生物多样性等方面,具有非常复杂的异质性。 随着上游城镇污废水、农田径流进入水域,淀区
富营养化日益加剧。 复杂的水环境特点、高度的景观异质性和良好的生物多样性,使得该地区成为探索规模性厌氧
氨氧化反应的良好研究地点(详见本期第 6591—6598 页)。
彩图提供: 王为东博士摇 中国科学院生态环境研究中心摇 E鄄mail: wdwangh@ yahoo. com
第 32 卷第 21 期
2012 年 11 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 21
Nov. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(DL09CA17,DL12DA03) ;中国博士后基金(20080430126);国家自然科学基金(40873063,
31170575);人事部留学归国博士后入站项目资助
收稿日期:2011鄄09鄄14; 摇 摇 修订日期:2012鄄03鄄26
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail:wjwang225@ hotmail. com
DOI:10. 5846 / stxb201109141347
苏冬雪,王文杰,邱岭,王洪岩,安静,郑广宇,祖元刚.落叶松林土壤可溶性碳、氮和官能团特征的时空变化及与土壤理化性质的关系.生态学报,
2012,32(21):6705鄄6714.
Su Dongxue,Wang Wenjie*,Qiu Ling,Wang Hongyan,An J,Zheng G Y,Zu Y G. Temporal and spatial variations of DOC, DON and their function group
characteristics in larch plantations and possible relations with other physical鄄chemical properties. Acta Ecologica Sinica,2012,32(21):6705鄄6714.
落叶松林土壤可溶性碳、氮和官能团特征的时空变化
及与土壤理化性质的关系
苏冬雪,王文杰*,邱摇 岭,王洪岩,安摇 静,郑广宇,祖元刚
(东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室,哈尔滨摇 150040)
摘要:土壤可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)及其官能团特征在土壤碳、氮循环中作用非常重要。 对 25 个不同年龄
落叶松林样地、4 个深度(0—20、20—40、40—60 和 60—80 cm)土壤 DOC、DON、有机物官能团(芳香性、分子量和疏水性)特征
指标(254、260、272 nm和 280 nm的单位吸光度值 SUVA:吸光度值 / DOC含量)和土壤理化指标(土壤全碳 SOC、全氮 SON、pH
值、电导率、容重)进行测定,旨在探究它们的时、空变化特征及与土壤理化指标相关关系。 在空间尺度上,与 SOC、SON一致,表
层土壤 DOC、DON多显著高于深层(P<0. 05),但是 4 个单位吸光度值 SUVA254、SUVA260、SUVA272 和 SUVA280 均不存在差异(P>
0. 05);在时间尺度上,仅表层土壤 DOC、SOC 和 SON随落叶松年龄显著线性增长(P<0. 05),而深层 DOC、SOC、SON、不同层土
壤 DON及各官能团指标均没有显著变化(P>0. 05)。 可见,土壤可溶性有机物内碳的累积(7 mg kg-1 a-1)是 SOC累积的一部分
(762 mg kg-1 a-1),但其 DON及可溶性有机物芳香性比例、分子量大小及疏水性容量等官能团特征并未受落叶松生长时间以及
土壤深度的显著影响。 进一步回归分析表明这些官能团指标随土壤 DOC含量增加而指数下降,深层土壤同时受 DON 显著影
响。 表层土壤 DOC、DON与土壤 SOC、SON、土壤电导率显著正相关(P<0. 05),深层相关不显著(P>0. 05),而官能团指标与土
壤理化性质的相关性在各个土层均不显著,显示出表层土壤可溶性有机物的量,而不是官能团组成对土壤理化性质影响显著,
而深层土壤可溶性有机物量对土壤理化性质不构成显著影响。 对于从可溶性组分、官能团角度,分析落叶松人工林成长过程中
土壤碳、氮时空变化具有科学意义。
关键词:落叶松人工林; 可溶性有机碳、氮; 土壤溶液单位吸光度值; 土壤理化性质
Temporal and spatial variations of DOC, DON and their function group
characteristics in larch plantations and possible relations with other
physical鄄chemical properties
SU Dongxue,WANG Wenjie*,QIU Ling,WANG Hongyan,AN Jing,ZHENG Guangyu,ZU Yuangang
Key laboratory of Forest Plant Ecology, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract:Soil dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON), and their composition play key roles in soil carbon
sequestration and nutrient cycling. In this paper, DOC, DON and specific ultraviolet absorbance (SUVA at 254 nm, 260
nm, 272 nm and 280 nm, equaling to the measured absorbance divided by the DOC concentration) of dissolved organic
matter, as well as soil physical鄄chemical parameters ( soil organic carbon SOC, soil total nitrogen SON, pH value,
electrical conductivity and bulk density) were determined in 0—20, 20—40, 40—60 and 60—80cm soil layers of 25
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chronosequence larch plantations. The aim of this paper is to explore the temporal鄄spatial change of DOC, DON, SOC,
SON and functional group ( aromaticity, apparent molecular size and hydrophobic capacity ) parameters, and their
influences on soil physical鄄chemical properties. In the vertical profile, DOC, DON, SOC and SON in surface soil layer
were significantly higher than those in the deep soil layers (P <0. 05), while no significant differences were found in
SUVA254, SUVA260, SUVA272 and SUVA280(P>0. 05); During of the development larch plantation, DOC, SOC and SON at
the surface soil (0—20cm) linearly increased with larch age (P<0. 05), while no significant changes were observed in
deep soils. DON, aromaticity, apparent molecular size and hydrophobic capacity of all testified soil layers did not
significantly change with larch age (P>0. 05). Thus, DOC accumulation at surface 0—20cm soil (7 mg kg-1 a-1) should
be a part of the SOC accumulation (762 mg kg-1 a-1), while no marked temporal changes were observed in both SON, DON
and functional groups. Different from the significant space鄄temporal changes in total and dissolved C and N, composition of
functional group relating to aromaticity, apparent molecular size and hydrophobic capacity were not affected by larch age and
soil depth (P>0. 05). A further regression analysis showed that these functional groups exponentially decreased with DOC
and also significantly related to DON in the deep layer. Pearson correlations showed DOC and DON in surface soil positively
correlated with SOC, SON and soil electrical conductivity (P<0. 05), while no significant relations between SUVA254,
SUVA260, SUVA272, SUVA280 and soil physical鄄chemical properties were found in each soil layer. This indicates that
quantity, rather than composition of dissolved organic matter could determine soil physical鄄chemical property, especially in
surface soil. Our findings have scientific significance in understanding dynamics processes of soil carbon and nitrogen from
the view of soluble components and functional groups during the plantation development.
Key Words: Larix gmelinii ; soil dissolved organic carbon and nitrogen; unit absorbance value of soil solution; soil
physical鄄chemical properties
可溶性有机物主要是指通过 0. 45 mm 微孔滤膜且能溶于水、酸或碱溶液的有机质[1],而可溶性有机碳
(DOC)和可溶性有机氮(DON)是其主要组分。 DOC和 DON作为土壤中非常活跃的化学组分,多直接参与土
壤碳氮物理移动及生物化学转化[2],是植物所需 C、N养分的直接来源[2鄄3]。 人工林生长过程能够导致土壤碳
汇显著的时空变化,多以土壤全碳(SOC)、全氮(SON)为研究基础[4],在此基础上,对其 DOC、DON动态研究,
将有助于了解土壤碳截获和肥力维持机制[5鄄6]。 结合土壤 SOC、SON 随林龄和土壤剖面上的变化,本文拟对
其组分 DOC、DON的时空动态进行深入研究。
土壤溶液有机物的官能团特征即土壤可溶性有机碳的结构特性[7]。 可溶性有机物中芳香性所占比例越
大,说明所形成化合物越复杂、分子量越大,并具有更高的稳定性[8鄄11],而可溶性有机物中疏水性部分具有更
大的 C / N比和芳香性,因此更不易分解、具有更长的周转周期[12]。 可溶性有机物的芳香性、分子量大小以及
疏水性往往可以通过土壤溶液的光谱特征来表征[8鄄12]。 如 254 nm的单位吸光度值(吸光度值 / DOC 含量)代
表的是可溶性有机碳的芳香族化合物结构特性[9];260 nm 的吸光度值代表的是可溶性有机碳疏水碳容量特
性[10]。 在对林分土壤 DOC、DON时空变化研究过程中,对其不同官能团特征(芳香性、疏水性碳容量、平均分
子量等)进行同时测定,有助于从官能团变化角度进一步细化土壤碳、氮动态形成的深层机制。 这是本文进
一步通过土壤溶液光谱特性探讨官能团变化的原因。
土壤理化性质多包括物理和化学性质两个方面,具体指标包括土壤 pH 值、电导率和容重以及和肥力相
关的 SOC和 SON等[4]。 土壤 DOC、DON和芳香性等官能团特征对土壤理化性质的影响可以通过它们之间的
相关性高低进行检验:相关性高,说明可能具有较强的影响,反之,则影响较小。 落叶松作为我国东北地区具
有重要碳汇功能的树种[13鄄15],其地力维持一直是科学家关注的焦点[4],有必要通过可溶性有机质特征与传统
理化性质相关性分析,来探讨其对地力维持、土壤碳截获的影响。
基于上述,本文的研究目标为:1)确定落叶松林土壤 DOC、DON及官能团特征(芳香性、分子量和疏水性
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容量)的时空变化规律,并结合 SOC、SON的数据,探讨可溶性有机质在土壤碳截获中的重要性。 2)确定土壤
DOC、DON及其官能团特性对包括 SOC、SON、pH值、电导率和容重在内土壤理化性质影响。
1摇 研究地区与研究方法
1. 1摇 实验样地、样品采集和林龄测定
样地设置于黑龙江省伊春市带岭林业局东山林场 (47毅7忆—47毅14忆 N, 128毅48忆—128毅55忆 E)。 本地气候
为典型温带湿润季风气候,年均温度-0. 3 益左右,平均降水量 676 mm,土壤类型为森林暗棕壤。
2009 年 7 月,选择 25 个地形、坡位、坡向、坡度基本一致、大小为 20 m伊20 m的样地进行样品采集。 林龄
47a以下,尽量分布在不同林龄组(图 1)。 胸径最大 73 cm;树高最大 24. 5 m;凋落物厚度多在 7 cm以下。 每
个样地内采集 4 个 2 m长伊1 m 宽伊0. 8 m 深的土壤剖面,分别在 0—20、20—40、40—60、60—80 cm 处使用
100 cm3 土壤环刀采集土样,并按土壤土层分别混合成 4 个土样,即每个土样均由 4 个重复土壤混合而成,装
土壤袋带回实验室。 土样风干后去除植物根和石块,用木棒敲打粉碎并过 0. 25 mm土壤筛,装入塑料瓶中供
实验分析。
落叶松年龄使用生长锥采样(>5 棵树),白乳胶固定在木板沟槽内,自然风干后,打磨,扫描,使用 Image J
软件进行测定。
1. 2摇 土壤 DOC、DON、光谱特征及相关理化性质的测定
土壤可溶性有机碳和氮含量及土壤溶液官能团特征采用热水浸提进行提取[16]。 其步骤如下 颐土 颐水=1颐5
(土 3 g,去离子水 15 mL)装入 50 mL离心管中,在 100 益水浴锅中加热 1 h,静止 4 h后,配平在 3500 r / min离
心 15 min,离心后的土壤上清液过 0. 45 mm滤膜得出滤液。 滤液一部分用德国耶拿 multi N / C 3100 TOC分析
仪测定 DOC、DON含量(所测值为 3 次测量的平均值)。 为了方便比较,把上述测定值转化为单位质量土壤所
含 DOC和 DON的量,即 g / kg;另一部分用紫外鄄可见光分光度计(UV鄄 2550,日本岛津)测定滤出液在 254、
260、272 nm和 280 nm4 个波长的吸光度值(滤出液盛入 1cm宽石英比色皿,对照为去离子水)。 上述波长的
单位吸光度值(SUVA)计算为吸光度值与 DOC 含量的比值[17],之后表述简称为 SUVA254、SUVA2 60、SUVA2 72、
SUVA2 80。 各指标对应的土壤溶液有机物官能团特征多与芳香性、平均分子量和疏水性有关,如表 1 所示。 这
些官能团越多,对应的有机物越不易分解,具有更长的周转周期[17]。
表 1摇 本文选用的光谱波长及其对应的土壤有机物特性和生物学意义
Table 1摇 Wavelengths used in this study and their feature and significance for soil organic matter characterization
序号 No. 波长 / nmWavelength
特性
Features
意义
Significance
1 254 芳香族化合物结构[12,16,18] 与可溶性有机质中芳香性部分所占比例成正比
2 260 疏水碳容量[10,16] 与疏水性有机质所占比例成正比
3 272 芳香族化合物结构[8,16] 与芳香性有机质所占比例和 C / H比成正比
4 280 芳香性、疏水碳容量,腐殖化[16鄄17,19] 与芳香性有机质所占比例和平均分子量成正比;与矿质化部分反比
土壤 SOC测定采用两种方法进行测定,其一 TOC仪测定(德国耶拿 multi N / C 3100 TOC测定仪固体进样
器),其二是加热重铬酸钾氧化法[20]。 两种结果具有很好相关性(TOC 仪测定值 = 1. 4477伊加热氧化法测定
值,n=100, R2 = 0. 9214),本文分析中使用的数据为传统的加热重铬酸钾氧化测定结果。 土壤全氮采用半微
量凯氏定氮法测定[20];土壤 pH 值,pH 计测定(Sartorius PT鄄 21,中国上海);土壤电导率,电导仪测定(SL1鄄
DDSJ鄄308A, 中国上海);土壤容重采用环刀采集风干测定法。 以上每个指标均做两个重复。
1. 3摇 数据分析
收集所有 25 个样地不同层土壤测定值,进行土壤 DOC、DON、SOC、SON含量和官能团特征的垂直分布差
异分析,采用方差分析和 Duncan多重比较进行差异显著性检验。 这些指标随林龄变化采用线性回归分析法,
当存在显著相关时,说明落叶松生长可以显著影响该指标,斜率即为每年该指标的变化速率,否则,落叶松生
7076摇 21 期 摇 摇 摇 苏冬雪摇 等:落叶松林土壤可溶性碳、氮和官能团特征的时空变化及与土壤理化性质的关系 摇
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长对该指标不存在显著影响。 土壤 DOC、DON 与不同官能团特征 SUVA254、SUVA2 60、SUVA272 和 SUVA2 80 以
及他们与其它土壤理化性质相关性采用指数拟合和 Pearson 相关分析完成。 线性拟合和指数拟合采用 Excel
2003 完成,所有统计分析(相关显著检验、方差分析和多重比较)采用 SPSS软件完成(SPSS 17. 0, USA)。
2摇 结果与分析
2. 1摇 落叶松人工林土壤可溶性碳、氮及其官能团特征的垂直分布特征
在落叶松人工林土壤中土壤 DOC和 DON的含量随土壤层深度的增加显著下降,但是所考察的 4 个芳香
性、疏水性、分子量相关的指标均没有发现显著变化 (表 2)。 0—20 cm 土壤 DOC 含量分别是 20—40 cm、
40—60 cm、60—80 cm的 1. 42、1. 87 和 1. 82 倍(P<0. 05);而相应的 DON为 1. 82、3. 12 和 5. 05 倍,除了 40—
60 cm和 60—80 cm两土层差异不显著外,其它均达到显著水平(P<0. 05)(表 2)。
SOC和 SON的垂直变化与可溶性部分类似(表 2)。 4 个土壤层之间 SOC 的差异均达到显著水平,表层
0—20 cm是深层 60—80 cm的近 6 倍。 0—60 cm的 3 个土壤层的 SON差异达到显著水平,而 60—80 cm 和
40—60 cm的差异未达到显著水平,表层 0—20 cm是 60—80 cm的 4. 5 倍。 同时,DOC和 DON的含量远低于
相应 SOC和 SON的含量,差异多在 100 倍左右。
表 2摇 不同土层土壤碳、氮含量和官能团特征指标差异比较
Table 2摇 Difference of carbon, nitrogen and parameters for variable function groups among soil layers
指标
Parameters
土层 Layer / cm
0—20 20—40 40—60 60—80
土壤可溶性碳 DOC / (g / kg) 0. 538(0. 160)a 0. 398(0. 178)b 0. 315(0. 182)b 0. 314(0. 188)b
土壤可溶性氮 DON / (g / kg) 0. 0242(0. 0097)a 0. 0133(0. 0088)b 0. 0078(0. 0057)c 0. 00598(0. 0034)c
土壤全碳 SOC / (g / kg) 47. 33(13. 4 5)a 23. 20(11. 03)b 13. 36(8. 72)c 8. 45(4. 80)d
土壤全氮 SON / (g / kg) 3. 23(1. 09)a 1. 62(0. 69)b 0. 88(0. 56)c 0. 68(0. 51)c
254 nm单位吸光度 SUVA254 2. 28(1. 04)a 2. 28(0. 90)a 2. 58(1. 54)a 2. 42(1. 48)a
260 nm单位吸光度 SUVA260 2. 19(1. 00)a 2. 18(0. 86)a 2. 45(1. 47)a 2. 31(1. 21)a
272 nm单位吸光度 SUVA272 1. 94(1. 89)a 1. 92(0. 77)a 2. 16(1. 29)a 2. 03(1. 07)a
280 nm单位吸光度 SUVA280 1. 71(0. 79)a 1. 70(0. 68)a 1. 92(1. 15)a 1. 82(0. 95)a
摇 摇 括弧内的值为标准差;同一行内相同字母表示不存在显著性差异,不同字母表示差异性显著(P<0. 05)
2. 2摇 落叶松人工林土壤可溶性碳、氮及其官能团特征的时间变化特征
落叶松生长能够显著影响土壤 DOC的累积,线性回归表明,不同层土壤均存在线性增加的趋势,但只有
表层 0—20 cm和 0—80 cm的平均值达到了显著水平(P<0. 05)(图 1)。 以线性相关斜率作为 DOC的累积速
率指标,随着土层的增加,DOC增加速率降低,表层速率(线性回归斜率)最大,达到 7. 0 mg kg-1 a-1(图 1)。
与 DOC不同,近 50 a的落叶松林生长过程对 DON的影响较小,不同层土壤线性相关分析均未达到显著水平
(图 1)。
落叶松林对 SOC和 SON的影响大于 DOC和 DON(图 1)。 如表层 0—20 cm的 R2 高达 0. 4455,SOC累积
速率达到 762 mg kg-1 a-1。 对表层 0—20 cm土壤 SON的影响也达到显著水平(P = 0. 017),显示土壤表层总
氮有增加趋势。
与土壤碳氮各指标相比,随着林龄的增加,4 个功能团特征指标 SUVA254、SUVA2 60、SUVA272 和 SUVA2 80 表
现一致:多是随林龄增加而降低,但是所有的线性相关均未达到显著水平(P>0. 05)(表 3)。
2. 3摇 土壤 DOC、DON与官能团特征指标的相关关系
土壤 DOC含量与 4 个官能团特征参数都具有显著的负相关关系(P<0. 05),而且不同深度土壤具有类似
的趋势 (图 2)。 随着土壤 DOC 含量的增加, SUVA254、 SUVA260、 SUVA272 和 SUVA280 降低的指数分别为
-1. 631、-1. 551、-1. 356 和-1. 207。 这些结果表明当土壤 DOC 含量较低时,其芳香性、平均分子量以及疏水
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图 1摇 落叶松林生长对土壤碳氮指标的影响
Fig. 1摇 Larch growth influences on parameters of soil carbon and nitrogen
性官能团在土壤有机质中所占比例就较高,而土壤 DOC含量较高时,这些官能团所占的比例降低明显。 这可
能是深层土壤 DOC含量差异显著低于表层,而其官能团指标却不存在显著差异的原因(表 2)。
有别于 DOC与不同吸光度指标的相关关系,表层土壤 DON 与 SUVA254、SUVA260、SUVA272 和 SUVA280 的
相关性远低于深层土壤(表 4)。 与 0—60 cm土壤不同,60—80 cm土壤上述 4 个指标均表现为随 DON 呈现
显著线性下降趋势(P<0. 05)。 这种相关性在不同土层之间的差异,说明深层土壤可溶性有机质中的 N 与芳
香性、分子量大小和疏水性的官能团具有更紧密的联系。
2. 4摇 土壤 DOC、DON含量、官能团指标与其它土壤理化性质的相关性
Pearson相关分析表明,土壤 DOC和 DON对土壤理化性质的影响远高于官能团指标的相关性,而且表层
比深层表现的更为明显(表5) 。0—20cm土壤DOC与土壤SOC、SON、土壤溶液电导率呈显著正相关关系
9076摇 21 期 摇 摇 摇 苏冬雪摇 等:落叶松林土壤可溶性碳、氮和官能团特征的时空变化及与土壤理化性质的关系 摇
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图 2摇 不同层土壤 DOC含量与 4 个官能团特征指标 SUVA254、SUVA260、SUVA272 和 SUVA280 的相关性
Fig. 2 摇 Relation between DOC content and function group parameters of SUVA254、 SUVA260、 SUVA272 and SUVA280 from variable
soil layers
表 3摇 不同层土壤官能团特征(y)与落叶松年龄(x)相关关系
Table 3摇 Relations between larch age (x) and function group parameters (y) in each soil layer
土壤深度 / cm
Soil depth
统计指标
parameters
单位吸光度 Specific ultraviolet absorbance
SUVA254 SUVA260 SUVA272 SUVA280
0—20 斜率 Slope -0. 0139 -0. 0131 -0. 0113 -0. 0096
R2 0. 0247 0. 0235 0. 0226 0. 0204
P ns ns ns ns
20—40 斜率 Slope -0. 0067 -0. 0064 -0. 0054 -0. 0045
R2 0. 0078 0. 0076 0. 0069 0. 0061
P ns ns ns ns
40—60 斜率 Slope -0. 0036 -0. 0031 -0. 003 -0. 0026
R2 0. 0008 0. 0006 0. 0008 0. 0007
P ns ns ns ns
60—80 斜率 Slope -0. 0153 -0. 0145 -0. 0128 -0. 0112
R2 0. 0199 0. 0197 0. 02 0. 0191
P ns ns ns ns
(P<0. 05),而与土壤容重呈显著负相关(P<0. 05)。 深度增加,相关性明显降低:20—40 cm 只有电导率与
DOC呈显著正相关,而 40—60 cm、60—80 cm土壤中的相关性均不显著(P>0. 05)。 土壤 DON 与土壤 DOC
类似,在表层 0—20 cm土壤中 DON与 SON、SOC、电导率呈显著正相关 (P<0. 05),而与容重呈显著负相关
(P<0. 05),深度增加至 20—40 cm时,相关指标降低为 SOC、SON和容重,40 cm以下没有发现显著相关指标。
不同层土壤中,4 个官能团指标与所测定的土壤理化性质指标均不存在显著相关性(表 5),说明可溶性有机
质中芳香性化合物的比例等对土壤理化性质的影响很小。
0176 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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表 4摇 不同层土壤 DON含量(x:g / kg)与不同官能团特征指标(y)相关关系比较
Table 4摇 Relations between DON (x:g / kg) and function group parameters from variable soil layers
土壤深度 / cm
Soil depth
统计指标
parameters
单位吸光度 Specific ultraviolet absorbance
SUVA254 SUVA260 SUVA272 SUVA280
0—20 斜率 Slope 1. 13 1. 251 1. 602 1. 114
R2 0. 0001 0. 0001 0. 0003 0. 002
P ns ns ns ns
20—40 斜率 Slope -29. 8 -28. 6 -25. 5 -22. 9
R2 0. 085 0. 085 0. 086 0. 088
P ns ns ns ns
40—60 斜率 Slope -73. 9 -74. 1 -61. 9 -54. 7
R2 0. 076 0. 083 0. 075 0. 075
P ns ns ns ns
60—80 斜率 Slope -204. 5 -195. 1 -172. 3 -153. 9
R2 0. 3 0. 3 0. 31 0. 31
P ** ** ** **
摇 摇 ** 在 0. 01 水平(双侧)上显著相关;ns:在 0. 05 水平(双侧)上相关不显著
表 5摇 不同层土壤 DOC、DON含量、官能团特征与其它土壤理化性质的 Pearson相关性比较
Table 5摇 Pearson correlations between soil physical鄄chemical properties and DOC, DON, function group parameters from variable soil layers
可溶性碳
DOC / (g / kg)
可溶性氮
DON / (g / kg)
单位吸光度 Specific ultraviolet absorbance
SUVA254 SUVA260 SUVA272 SUVA280
0—20 摇 摇 摇 摇 摇 摇
pH值 pH -0. 102 -0. 048 0. 246 0. 244 0. 252 0. 262
全氮 SON / (g / kg) 0. 545** 0. 691** -0. 127 -0. 122 -0. 118 -0. 121
容重 Density / (g / cm) -0. 738** -0. 587** 0. 390 0. 385 0. 381 0. 382
全碳 SOC / ( g / kg) 0. 644** 0. 530** -0. 187 -0. 183 -0. 176 -0. 174
电导率 EC / ( us / cm) 0. 418* 0. 584** -0. 020 -0. 017 -0. 009 -0. 010
20—40
pH值 pH -0. 112 0. 030 0. 126 0. 128 0. 141 0. 156
全氮 SON / (g / kg) 0. 332 0. 670** 0. 046 0. 047 0. 041 0. 032
容重 Density / (g / cm) -0. 149 -0. 477* -0. 120 -0. 120 -0. 117 -0. 111
全碳 SOC / ( g / kg) 0. 395 0. 674** 0. 051 0. 051 0. 048 0. 043
电导率 EC / ( us / cm) 0. 464* 0. 319 -0. 052 -0. 050 -0. 048 -0. 046
40—60
pH值 pH 0. 155 -0. 009 -0. 057 -0. 054 -0. 042 -0. 035
全氮 SON / (g / kg) 0. 001 0. 390 0. 074 0. 066 0. 060 0. 052
容重 Density / (g / cm) 0. 059 -0. 276 -0. 089 -0. 084 -0. 079 -0. 071
全碳 SOC / ( g / kg) -0. 125 0. 216 0. 150 0. 145 0. 138 0. 130
电导率 EC / ( us / cm) -0. 159 0. 161 0. 305 0. 298 0. 289 0. 285
60—80
pH值 pH -0. 024 -0. 364 -0. 059 -0. 055 -0. 043 -0. 032
全氮 SON / (g / kg) -0. 097 0. 271 0. 193 0. 190 0. 185 0. 181
容重 Density / (g / cm) 0. 054 -0. 294 -0. 039 -0. 035 -0. 029 -0. 018
全碳 SOC / ( g / kg) -0. 126 0. 177 0. 227 0. 225 0. 221 0. 217
电导率 EC / ( us / cm) 0. 028 0. 238 0. 026 0. 024 0. 021 0. 018
摇 摇 **在 0. 01 水平(双侧)上显著相关;* 在 0. 05 水平(双侧)上显著相关
3摇 讨论
可溶性有机质多被认为是土壤碳的重要组分,也是土壤肥力重要来源[21]。 对于土壤碳截获和土壤肥力
1176摇 21 期 摇 摇 摇 苏冬雪摇 等:落叶松林土壤可溶性碳、氮和官能团特征的时空变化及与土壤理化性质的关系 摇
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维持研究,目前更多的是使用 SOC和 SON 等指标,如:Wang 等对东北地区土壤在落叶松林恢复过程中土壤
SOC年固定碳接近 100 g m-2a-1,但是这一过程并没有明显影响土壤氮库的变化[4]。 王洪岩等发现,随着林分
的生长,有更多的土壤碳、氮可能更加富集于地表,以深层土壤作为对照,表层土壤 SOC 明显增加[22]。 这些
前期研究说明,森林恢复过程中东北退化的土壤可能是一个巨大的碳汇,而且土壤肥力如 N 能够长期维持不
变。 不同于以往,本研究从含量角度发现,落叶松林生长导致表层 0—20 cm SOC 含量增加速率可以达到 762
mg kg-1 a-1(P<0. 05),而 SON有增加趋势,接近显著水平(P=0. 057)(图 1)。
土壤不同碳氮组分往往具有很大的周转周期差异,作为水溶性有机物组分,DOC 和 DON 一方面能够分
解为植物生长快速提供养分,另一方面其难分解部分,如芳香性、高分子量化合物,也能够转移至土壤更深层
次,影响土壤碳库周转时间。 对落叶松人工林生长过程中土壤 DOC、DON 以及芳香性碳比例指标(紫外分光
相关指标)的时空分布进行测定,有助于探讨描述落叶松林生长影响哪些碳、氮组分的变化,并提升其对土壤
理化性质影响的认识。 这是本文继续进行可溶性组分研究的初衷。
对其垂直分布研究发现,DOC在表层土壤 0—20 cm中的浓度明显高于深层,DON也具有类似的特点(表
2),这与土壤 SOC、SON的变化趋势一致,说明全碳和全氮土壤剖面上的差异产生原因之一应该与 DOC 和
DON差异有关。 但是可溶性部分所占比例多小于相应总量的 100 倍(表 2),说明其对总量变化的贡献应该较
小。 Pearson相关性分析也支持这一结论(表 5):表层 0—20 cm和 20—40 cm的 DOC 和 DON 多与该层土壤
全碳和全 N指标紧密相关,而深层则相关性不大。 此外,作为东北地区重要的人工林之一,落叶松林土壤
DOC和 DON含量分别为 538—314 mg / kg和 24—6 mg / kg(表 2)。 汪景宽[21]等对辽宁省林地暗棕壤研究发
现 DOC为 141. 86 mg / kg、DON为 12. 6 mg / kg。 本文研究的 DOC结果高,而 DON结果相当,这除了和不同地
点存在较大差异有关外,还可能与浸提方法有关[23]:本文研究采用了热水浸提方法,而他们的研究采用的冷
水浸提。
落叶松成林过程中土壤碳、氮时间动态是土壤碳截获研究的热点,但对土壤 DOC和 DON的研究较少[4]。
我们的研究发现,表层土壤 DOC随落叶松年龄显著线性增长(斜率=0. 007,P<0. 05),而深层 DOC、不同层土
壤 DON没有发现显著变化(P>0. 05)(图 1)。 可见,与土壤总氮 DON类似,落叶松的生长并没有显著影响土
壤各层中 DON含量,但是显著恢复了 DOC,速率为 7 mg kg-1 a-1。 对 SOC的研究发现,0—20 cm SOC随林龄
线性相关关系分别为 SOC g / kg = 0. 7623age + 34. 722, R2 =0. 4455, P<0. 05; 0—20 cm土壤碳氮累积速率分
别达到 762 mg kg-1 a-1(图 1)。 本文研究结果说明,土壤碳累积中一部分来自于可溶性碳的累积(7 mg kg-1
a-1),但是所占的比例很少(0. 9% ),这是对以往研究的一个补充。 考虑到 DOC 含量约占 SOC 的百分之一
(表 2),这一累积速率表明土壤中 DOC和 SOC是同步(比例)变化的。
对可溶性有机化合物官能团特征进行描述,并对其在碳截获、土壤养分维持中的功能进行分析是近年来
研究的趋势[8鄄10,17,24鄄25]。 Peuravuori和 Pihlaja研究发现,254 nm 单位吸光度与可溶性有机物中芳香性组成呈
显著正相关(R2 =0. 84),而与分子量大小也呈显著正相关(R2 =0. 77) [9]。 Dillings和 Kaiser研究发现,可溶性
有机物中疏水性部分所占比例与 260 nm 的吸光度呈显著线性相关,而且不同林分对这一相关关系影响不
大[10]。 272 nm的单位吸光度与芳香性所占比例呈显著正相关,相关性高达 0. 937[8]。 Kalbitz 等的研究发现,
280 nm的单位吸光度变化能够准确评价 DOC中可矿化分解部分所占比例(显著负相关,R2 = 0. 90)和芳香性
部分(显著正相关,R2 =0. 91) [17]。 利用 4 个指标对落叶松林土壤可溶性有机物中芳香性部分所占比例的时
空变化进行了分析,旨在探讨 DOC、DON中难分解的芳香族化合物所占比例动态变化。 结果发现,无论是垂
直土壤剖面上(表 2)、还是年龄变化(表 3),均没有发现显著差异,这说明土壤可溶性有机物中芳香性所占比
例、分子量大小及疏水性容量等并没有发生明显变化。 Jaffrain 等对不同林分土壤研究也发现类似现象:不同
深度 SUVA254 差异并不显著[16]。 这一结果说明,虽然落叶松林生长过程能够引起土壤全碳显著增加[4],表层
土壤 DOC也显著增加(图 1),但是并没有使得其官能团特征发生明显的变化。 很有可能发生变化的是非芳
香性、亲水性、低分子量的可溶性有机物,它们的易分解性和高周转速率,更易于土壤养分供应和相关土壤生
2176 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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物化学过程[2鄄3,24鄄25]。 不同深度官能团特征指标(SUVA254、 SUVA260、SUVA272、SUVA280)随土壤 DOC 均呈现指
数下降趋势(图 1),说明土壤中 DOC含量的高低,而不是土壤深度的差异直接决定了其芳香性比例、分子量
大小及疏水性容量。 而且,这些指标对土壤不同理化性质(pH值,电导率、全碳、全氮)均不产生明显影响(表
5),表明这些芳香性、疏水性官能团所占的比例对于土壤理化性质影响也较小。
4摇 结论
落叶松林土壤 DOC、DON含量以及 SOC、SON均随土壤层加深而降低,但是不同官能团比例并没有发生
明显变化。 落叶松林生长使得 0—20 cm 土壤 DOC 含量显著上升 7 mg kg a-1,这是土壤 SOC 明显累积(762
mg kg a1)的一个组分。 土壤 SON有累积的趋势,但累积应该主要发生在非可溶性组分之中,因为不同层土壤
DON均未发现与林龄显著相关(P>0. 05)。 落叶松生长以及不同土壤深度均未引起土壤可溶性有机物内芳
香性比例、分子量大小及疏水性容量的显著变化,而对这些官能团多少起到决定影响是的土壤 DOC 含量,在
深层土壤也受到 DON多少的影响。 表层土壤 DOC、DON含量多与土壤全碳、全氮、容重等指标显著相关(P<
0. 05),而深层则相关不显著(P>0. 05),但与官能团各指标的相关在各个层次均不显著(P>0. 05),显示出可
溶性有机物的量,而不是官能团组成,对表层土壤理化性质的重要性。 本文所获得 DOC、DON 及其官能团组
成动态变化的结果对于理解落叶松林碳、氮动态及其可能影响土壤肥力的机制具有科学意义。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 21 November,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Widespread of anaerobic ammonia oxidation bacteria in an eutrophic freshwater lake wetland and its impact on nitrogen cycle
WANG Shanyun, ZHU Guibing, QU Dongmei, et al (6591)
………
………………………………………………………………………
Responds of soil enzfyme activities of degraded coastal saline wetlands to irrigation with treated paper mill effluent
XIA Mengjing, MIAO Ying, LU Zhaohua, et al (6599)
…………………
……………………………………………………………………………
Wetland ecosystem health assessment of the Tumen River downstream ZHU Weihong,GUO Yanli,SUN Peng,et al (6609)…………
An index of biological integrity:developing the methodology for assessing the health of the Baiyangdian wetland
CHEN Zhan, LIN Bo, SHANG He,et al (6619)
………………………
……………………………………………………………………………………
MODIS鄄based analysis of wetland area responses to hydrological processes in the Dongting Lake
LIANG Jie, CAI Qing, GUO Shenglian, et al (6628)
………………………………………
………………………………………………………………………………
The diversity of invasive plant Spartina Alterniflora rhizosphere bacteria in a tidal salt marshes at Chongming Dongtan in the Yangtze
River estuary ZHANG Zhengya, DING Chengli, XIAO Ming (6636)………………………………………………………………
Analyzing the azimuth distribution of tree ring 啄13C in subtropical regions of eastern China using the harmonic analysis
ZHAO Xingyun, LI Baohui,WANG Jian, et al (6647)
………………
……………………………………………………………………………
In the process of grassland degradation the spatial pattern and spatial association of dominant species
GAO Fuyuan, ZHAO Chengzhang (6661)
…………………………………
……………………………………………………………………………………………
Activities of soil oxidordeuctase and their response to seasonal freeze鄄thaw in the subalpine / alpine forests of western Sichuan
TAN Bo, WU Fuzhong, YANG Wanqin, et al (6670)
………
………………………………………………………………………………
Simulating the effects of forestry classified management on forest biomass in Xiao Xing忆an Mountains
DENG Huawei, BU Rencang,LIU Xiaomei, et al (6679)
…………………………………
…………………………………………………………………………
The simulation of three鄄dimensional canopy net photosynthetic rate of apple tree
GAO Zhaoquan,ZHAO Chenxia, ZHANG Xianchuan, et al (6688)
………………………………………………………
………………………………………………………………
The effect of Phomopsis B3 and organic fertilizer used together during continuous cropping of strawberry (Fragaria ananassa Duch)
HAO Yumin, DAI Chuanchao, DAI Zhidong, et al (6695)
…
…………………………………………………………………………
Temporal and spatial variations of DOC, DON and their function group characteristics in larch plantations and possible relations
with other physical鄄chemical properties SU Dongxue,WANG Wenjie,QIU Ling,et al (6705)……………………………………
Comparisons of quantitative characteristics and spatial distribution patterns of Eremosparton songoricum populations in an artificial
sand fixed area and a natural bare sand area in the Gurbantunggut Desert, Northwestern China
ZHANG Yongkuan, TAO Ye, LIU Huiliang, et al (6715)
…………………………………
…………………………………………………………………………
Comparison study on macroinvertebrate assemblage of riffles and pools:a case study of Dong River in Kaixian County of Chongqing,
China WANG Qiang,YUAN Xingzhong,LIU Hong (6726)…………………………………………………………………………
Nekton community structure and its relationship with main environmental variables in Lidao artificial reef zones of Rongcheng
WU Zhongxin,ZHANG Lei,ZHANG Xiumei,et al (6737)
………
…………………………………………………………………………
Zooplankton diversity and its variation in the Northern Yellow Sea in the autumn and winter of 1959, 1982 and 2009
YANG Qing, WANG Zhenliang, FAN Jingfeng, et al (6747)
………………
………………………………………………………………………
Building ecological security pattern based on land use:a case study of Ordos, Northern China
MENG Jijun,ZHU Likai,YANG Qianet al (6755)
…………………………………………
…………………………………………………………………………………
Additive partition of species diversity across multiple spatial scales in community culturally protected forests and non鄄culturally
protected forests GAO Hong, CHEN Shengbin, OUYANG Zhiyun (6767)…………………………………………………………
Environmental perception of farmers of different livelihood strategies: a case of Gannan Plateau ZHAO Xueyan (6776)………………
Application and comparison of two prediction models for groundwater dynamics
ZHANG Xia,LI Zhanbin,ZHANG Zhenwen, et al (6788)
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Pollination success of Phaius delavayi in Huanglong Valley, Sichuan HUANG Baoqiang, KOU Yong, AN Dejun (6795)……………
Mechanism of nitrification inhibitor on nitrogen鄄transformation bacteria in vegetable soil
YANG Yang, MENG Denglong, QIN Hongling, et al (6803)
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Archaea diversity in water of two typical brackish lakes in Xinjiang DENG Lijuan, LOU Kai, ZENG Jun, et al (6811)……………
Abundance and biomass of heterotrophic flagellates in Baiyangdian Lake, as well as their relationship with environmental factors
ZHAO Yujuan,LI Fengchao,ZHANG Qiang,et al (6819)
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Effects of bisphenol A on the toxicity and life history of the rotifer Brachionus calyciflorus
LU Zhenghe, ZHAO Baokun, YANG Jiaxin (6828)
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Effect of incubation temperature on behavior and metabolism in the Chinese cornsnake, Elaphe bimaculata
CAO Mengjie, ZHU Si, CAI Ruoru, et al (6836)
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Functional and numerical responses of Mallada besalis feeding on Corcyra cephalonica eggs
LI Shuiquan, HUANG Shoushan, HAN Shichou,et al (6842)
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Stability analysis of mutualistic鄄parasitic coupled system GAO Lei, YANG Yan, HE Junzhou, et al (6848)…………………………
Effect of ultra鄄micro powder qiweibaishusan on the intestinal microbiota and enzyme activities in mice
TAN Zhoujin,WU Hai,LIU Fulin,et al (6856)
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Review and Monograph
The effects of nitrogen deposition on forest carbon sequestration:a review
CHEN Hao, MO Jiangming, ZHANG Wei, et al (6864)
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Effect of enhanced CO2 level on the physiology and ecology of phytoplankton
ZHAO Xuhui, KONG Fanxiang, XIE Weiwei, et al (6880)
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Transboundary protected areas as a means to biodiversity conservation SHI Longyu, LI Du, CHEN Lei, et al (6892)………………
Scientific Note
The energy storage and its distribution in 11鄄year鄄old chinese fir plantations in Huitong and Zhuting
KANG Wenxing,XIONG Zhengxiang,HE Jienan,et al (6901)
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Spatial pattern of sexual plants and vegetative plants of Stipa krylovii population in alpine degraded grassland
REN Heng, ZHAO Chengzhang, GAO Fuyuan, et al (6909)
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《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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