易分解有机碳输入量对武夷山常绿阔叶林不同土层深度土壤激发效应的影响

土壤有机碳(SOC)的矿化在碳、氮循环过程中起着极为重要的作用。易分解有机碳的输入可以通过正(负)激发效应加快(减缓)原有SOC的矿化。然而,先前的研究更多关注易分解有机碳输入量对表层(0～20 cm)土壤激发效应的影响,而较少关注其对深层(20 cm)土壤激发效应的影响。本研究利用~(13)C标记葡萄糖(99 atom%)添加试验,研究葡萄糖添加量对武夷山常绿阔叶林表层(0～20 cm)和深层(30～40 cm)土壤激发效应的影响,并通过分析微生物群落组成的变化以及土壤可利用氮含量的变化探讨土壤激发效应产生的机理。结果表明:葡萄糖的添加抑制了表层和深层SOC的矿化(P0.05),使SOC的矿化量分别减少了26%～61%与62%～68%,呈现负的激发效应,但激发强度因葡萄糖添加量和土层深度而异。对于表层土壤,激发强度随着葡萄糖添加量的增加而增加;而对于深层土壤,激发强度对葡萄糖添加量的响应并不敏感。而且,葡萄糖的添加并未显著影响表层和深层土壤的微生物量碳氮含量和微生物群落组成(总磷脂脂肪酸含量;细菌、真菌、放线菌磷脂脂肪酸含量以及细菌真菌比)(P0.05)。土壤激发强度并非取决于土壤微生物群落组成,而是取决于土壤中可利用氮的含量,其可以分别解释表层和深层土壤激发效应变化的90.8%与63.4%。虽然葡萄糖的添加降低了土壤可利用氮的含量,但并未造成土壤氮的固持,这表明土壤现有可利用氮仍能够满足微生物对氮的需求。因此,在土壤矿质养分充足的情况下,微生物对外源易分解有机物的优先利用可能是负激发效应产生的主要原因。     

外源碳输入对中亚热带森林深层土壤碳矿化和微生物决策群落的影响

在陆地生态系统中,深层土壤是重要的有机碳库.外源碳输入可改变土壤有机碳(SOC)矿化速率(激发效应),进而影响土壤碳排放.然而深层土壤对外源碳输入的响应程度和方向如何还不清楚,引起激发效应的机理尚不明确.本文利用¹³C标记葡萄糖添加试验,分析亚热带森林不同层次SOC矿化的激发作用,并通过微生物决策群落(r-K策略者)的相对变化来探讨激发效应的机理.结果表明: 深层土壤矿化速率显著低于表层土壤,添加标记葡萄糖后能增加所有层次土壤原有SOC的矿化(正激发效应),但是深层土壤的激发效应强度(156%)显著高于表层土壤(45%).葡萄糖添加显著降低了各层次土壤微生物的最大比生长速率,表明r策略者相对比例下降而K策略者相对比例增加.推测SOC矿化的正激发效应主要由K策略者的相对比例变化引起.此外,葡萄糖添加后可溶性有机碳和可溶性氮的比值在深层土壤中(76.03)显著高于表层土壤(13.00),暗示深层土壤存在更为强烈的氮限制作用.深层土壤微生物为获取氮源,可能会加剧对原有SOC的矿化,进而产生更强烈的激发效应.深层土壤SOC矿化受碳源和氮源的限制,更容易受外源碳输入的影响,对未来气候变化也更敏感.     

易分解有机碳输入量对武夷山不同林型土壤激发效应的影响

土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳储量库,其微小的变化也能使大气中CO₂浓度发生巨大的改变,植物来源碳的输入能通过激发效应促进或抑制土壤有机碳（SOC）的分解,对SOC的动态平衡产生影响。以武夷山三个林型（阔叶林、马尾松林、针阔混交林）土壤为研究对象,通过向土壤中添加不同量的¹³C标记葡萄糖（0、100、200、400 mg C/kg）研究易分解有机碳输入量对不同林型土壤激发效应的影响,并在此基础上探讨易分解有机碳输入量对土壤激发效应影响的作用机理。结果表明,葡萄糖输入对土壤激发效应的影响与葡萄糖输入量和林型有关。葡萄糖的输入均抑制了三个林型SOC的分解（即,呈现负的激发效应）。阔叶林土壤和针阔混交林土壤激效应强度随着葡萄糖输入量的增加而增加,而马尾松林土壤的激发效应强度对葡萄糖输入量的响应并不明显。然而在马尾松林土壤中由葡萄糖所引起的激发效应强度显著高于其他两种林型土壤。研究结果表明,易分解有机碳的输入可以抑制SOC的矿化,形成负激发效应,阔叶林土壤的激发效应强度与土壤可利用氮、葡萄糖添加量与微生物碳量比值有关,而针阔混交林与马尾松林土壤的激发效应强度分别与土壤中的放线菌和真菌有关。     

易分解有机碳对不同恢复年限森林土壤激发效应的影响

土壤有机碳库作为陆地生态系统最大的碳库,其微小的改变都将引起大气CO_2浓度的急剧改变。易分解有机碳的输入可以通过正/负激发效应加快/减缓土壤有机碳(SOC)的矿化,并最终影响土壤碳平衡。以长汀县不同恢复年限森林(裸地、5年、15年、30年马尾松林以及天然林)土壤为研究对象,通过室内培养向土壤中添加~(13)C标记葡萄糖研究易分解有机碳输入对不同恢复阶段森林土壤激发效应的影响。研究结果表明,易分解有机碳输入引起的土壤激发效应的方向和强度因不同恢复阶段而异。易分解有机碳输入的初期对各恢复阶段森林土壤均产生正的激发效应,然而随着时间的推移,15年、30年马尾松林以及天然林相继出现负的激发效应。从整个培养期(59 d)来看,易分解有机碳的输入促进了裸地与5年生马尾松林土壤有机碳的矿化,有机碳的矿化量分别提高了131%±27%与25%±5%;但是减缓了15年生马尾松林土壤有机碳的矿化,使其矿化量减少了10%±1%;然而,易分解有机碳输入对30年生马尾松林及天然林土壤有机碳的矿化则无明显影响。土壤累积激发碳量与葡萄糖添加前后土壤氮素的改变百分比呈显著正相关关系(R~2=0.44,P0.05),表明易分解有机碳输入诱导的土壤激发效应受土壤氮素可利用性的调控,土壤微生物需要通过分解原有土壤有机碳释放的氮素来满足自身的需求。     

亚热带森林不同植物及器官来源的可溶性有机质输入对土壤激发效应的影响及其作用机理

外源有机物的输入可以通过正负激发效应影响土壤有机碳(SOC)的矿化。然而, 当前的研究较少考虑不同植物及器官来源可溶性有机质(DOM)输入对土壤激发效应的影响及其作用机理。该研究以武夷山森林土壤为研究对象, 以室内培养的方式向土壤中添加¹³C标记青冈(Cyclobalanopsis glauca)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、木莲(Manglietia fordiana)和相思(Acacia confusa)这4种植物的根和叶来源DOM, 研究不同植物及器官来源DOM输入对土壤激发效应的影响及其作用机理。主要结果: 不同植物及器官来源DOM添加初期加快了SOC的矿化, 呈现正激发效应, 随后转为负激发效应。从整个培养期(90天)的累积激发效应来看, DOM的输入均抑制了SOC的矿化, 使其矿化量减少22%-49%, 其中青冈根DOM输入使SOC的矿化量减少最多, 而由木莲叶DOM输入减少的SOC矿化量最少。DOM输入引起的土壤激发效应强度受不同植物器官影响明显, 具体表现在植物根来源DOM输入所引起的土壤激发效应强度显著高于植物叶来源DOM输入所引起的激发效应强度(相思除外)。DOM的输入总体上提高了土壤微生物生物量碳(MBC)含量、土壤β-葡萄糖苷酶活性、纤维素酶活性以及土壤有效氮含量, 而对微生物群落组成无明显影响。从结构方程模型来看, DOM输入所引起的土壤激发效应主要受土壤微生物对外源碳的利用(¹³C-MBC)、纤维素酶活性以及土壤有效氮含量的影响, 这些因子的变化可解释植物叶来源DOM和根来源DOM添加处理下土壤激发效应变化的68%和86%。该研究结果表明在土壤氮充足的条件下, DOM的输入可以通过提高微生物生物量、土壤酶活性来加快分解所添加的外源有机物, 从而减少了对SOC的分解。因此, 在该研究中“底物优先利用”是土壤激发效应的主要作用机理。     

表层和下层免耕黑土有机碳矿化速率及激发效应

激发效应是调控土壤有机质分解的重要机制之一,而土层与激发效应的关系还不清晰.本研究通过室内培养试验,采用¹³C葡萄糖标记和动态碱液吸收的方法,探究免耕农田黑土表层土壤(0～10 cm)和下层土壤(30～40 cm)有机碳矿化速率及其激发效应.结果表明: 表层与下层土壤以单位有机碳表示的矿化速率并未发现显著差异.添加葡萄糖使表层土壤原有机质分解加快36.7%(正激发),但使下层土壤原有机质分解减慢12.4%(负激发).在整个培养期间(30 d),表层和下层土壤的累积激发碳量分别为3.14和-1.24 mg C·g^-1 SOC,但由于新碳(葡萄糖)的补偿作用,即使在产生显著正激发的表层土壤中,仍表现为有机碳净积累.说明外源碳输入使不同土层土壤有机质分解的幅度甚至方向产生明显差别.这为今后免耕和秸秆还田等保护性耕作措施的实践提供了重要的理论基础.     

杉木凋落物对土壤有机碳分解及微生物生物量碳的影响

利用¹³C稳定同位素示踪技术,研究了杉木凋落物对杉木人工林表层(0～5 cm)和深层(40～45 cm)土壤有机碳分解、微生物生物量碳和可溶性碳动态的影响.结果表明: 杉木人工林中深层土壤有机碳分解速率显著低于表层土壤,但其激发效应却显著高于表层土壤.杉木凋落物添加使土壤总微生物生物量碳和源于原有土壤的微生物生物量碳均显著增加,但对土壤可溶性碳没有显著影响.深层土壤被翻到林地表层,可能加速杉木人工林土壤中碳的损失.     

增温和外源碳输入对泥炭地土壤碳氮循环关键微生物功能基因丰度的影响

为探讨温度升高和外源碳输入对泥炭地土壤碳氮循环关键微生物的影响,于2017年7月采集多年冻土区泥炭地表层(0—10 cm和10—20 cm)土壤样品,在10、15℃两个温度下开展为期42d的增温模拟试验,同时设置葡萄糖添加处理,利用荧光定量PCR技术分析泥炭地土壤碳氮循环关键微生物丰度变化,同时分析增温和外源碳输入对泥炭地土壤活性碳组分和无机氮含量的影响。结果表明:温度升高可导致北方泥炭地表层土壤微生物丰度以及群落结构变化,0—10 cm土壤微生物比10—20 cm土壤微生物更加敏感。增温条件下微生物首先快速分解活性有机碳,同时温度升高加快土壤氮周转速率,增加有效氮含量。外源碳输入整体提高了深层土壤微生物丰度,使得10—20 cm土壤细菌、产甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化细菌以及反硝化细菌丰度显著增加,说明外源碳输入可能会促进10—20 cm土壤甲烷氧化过程、氨氧化过程和反硝化过程。温度和葡萄糖的交互作用对泥炭地表层土壤碳氮循环关键微生物丰度均有显著影响。在增温和外源碳输入条件下,北方泥炭地表层土壤微生物丰度受土壤碳氮活性基质的影响。     

生物炭和氮添加对亚热带常绿阔叶林土壤有机碳分解与平衡的影响

生物炭由于其稳定的化学性质及对陆地生态系统土壤碳平衡的潜在用途被广泛关注。森林火灾的发生导致大量的生物炭向森林土壤输入。但生物炭输入对森林土壤有机碳(SOC)激发效应的影响及氮有效性如何调控这一过程尚不明确。本研究通过向亚热带常绿阔叶林土壤中同时添加生物炭(相当于添加SOC含量的5%)和氮(相当于添加土壤全氮含量的0、5%、10%的硝酸铵),探讨生物炭引起的激发效应对氮添加的响应。结果表明:氮添加对生物炭分解没有影响,0、5%、10%氮处理的生物炭分解量分别为添加量的1.0%、1.0%、1.1%;激发释放的CO2量分别为9.0±2.1、8.3±2.4、5.9±0.8 g C·kg-1SOC。生物炭显著加速SOC分解,造成强烈的正激发效应(47.2%)。氮添加在整个培养期间对SOC分解没有显著影响,但在不同培养阶段其效应有所不同,前期激发效应强度由40.3%增长至63.1%,而后期使激发效应强度由51.1%下降至17.4%。不论有无氮添加,生物炭输入造成土壤净碳增加。研究表明,生物炭在亚热带森林土壤碳固持中扮演重要角色,并可能缓解未来气候变暖。     

水分对武夷山草甸土壤有机碳激发效应的影响

水分是影响土壤有机碳激发效应的重要因子,但水分如何影响山地草甸土有机碳激发效应尚不清楚。本试验以武夷山高海拔(2130 m)山地草甸土为研究对象,通过室内添加¹³C标记的葡萄糖结合控制土壤水分(30%FWC和60%FWC,FWC为田间持水量),进行为期126 d的室内培养试验,定期测定CO₂浓度和¹³C-CO₂丰度值,研究不同水分条件下土壤有机碳矿化特征和激发效应的差异及其影响因素。结果表明: 山地草甸土碳矿化随着水分增加而增加。不同土壤水分山地草甸土激发效应随培养时间延长呈现逐渐降低的趋势,低含水量土壤激发效应显著大于高含水量土壤,培养结束时低含水量土壤累积激发碳量比高含水量土壤高61.4%。与低含水量土壤相比,高含水量土壤由葡萄糖矿化产生的CO₂量较多,且低含水量土壤的累积激发碳量与葡萄糖矿化量的比值显著大于高含水量土壤,说明高含水量土壤微生物更多地矿化外源添加的葡萄糖,且激发效率较低,最终高含水量土壤激发效应小于低含水量土壤。相关分析表明,土壤激发效应与土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量碳与氮比值(MBC/MBN)和NH₄⁺-N变化量呈显著正相关,说明低含水量条件会通过改变山地草甸土壤微生物数量和组成,进而提高土壤微生物对氮的“挖掘”,最终增加激发效应。因此,全球气候变化背景下若山地草甸土壤水分降低可能会增加通过激发效应引起的碳损失。     

Deepened snow cover increases grassland soil carbon stocks by incorporating carbon inputs into deep soil layers

Climate-induced changes in snow cover can greatly impact winter soil microclimate and spring water supply. These effects, in turn, can influence plant and microbial activity and the strength of leaching processes, potentially altering the distribution and storage of soil organic carbon (SOC) across different soil depths. However, few studies have examined how changes in snow cover will affect SOC stocks, and even less is known about the impact of snow cover on SOC dynamics along soil profiles. By selecting 11 snow fences along a 570 km climate gradient in Inner Mongolia, covering arid, temperate, and meadow steppes, we measured plant and microbial biomass, community composition, SOC content, and other soil parameters from topsoil to a depth of 60 cm. We found that deepened snow increased aboveground and belowground plant biomass, as well as microbial biomass. Plant and microbial carbon input were positively correlated with grassland SOC stocks. More importantly, we found that deepened snow altered SOC distribution along vertical soil profiles. The increase in SOC caused by deepened snow was much greater in the subsoil (+74.7%; 40–60 cm) than that in the topsoil (+19.0%; 0–5 cm). Additionally, the controls on SOC content under deepened snow differed between the topsoil and subsoil layers. The increase in microbial and root biomass jointly enhanced topsoil C accumulation, while the increase in leaching processes became critical in promoting subsoil C accumulation. We conclude that under deepened snow, the subsoil had a high capacity to sink C by incorporating C leached from the topsoil, suggesting that the subsoil, originally thought to be climate insensitive, could have a higher response to precipitation changes due to vertical C transport. Our study highlights the importance of considering soil depth when assessing the impacts of snow cover changes on SOC dynamics.     

Shifts in priming partly explain impacts of long‐term nitrogen input in different chemical forms on soil organic carbon storage

Input of labile organic carbon can enhance decomposition of extant soil organic carbon (SOC) through priming. We hypothesized that long‐term nitrogen (N) input in different chemical forms alters SOC pools by altering priming effects associated with N‐mediated changes in plants and soil microbes. The hypothesis was tested by integrating field experimental data of plants, soil microbes and two incubation experiments with soils that had experienced 10 years of N enrichment with three chemical forms (ammonium, nitrate and both ammonium and nitrate) in an alpine meadow on the Tibetan Plateau. Incubations with glucose–¹³C addition at three rates were used to quantify effects of exogenous organic carbon input on the priming of SOC. Incubations with microbial inocula extracted from soils that had experienced different long‐term N treatments were conducted to detect effects of N‐mediated changes in soil microbes on priming effects. We found strong evidence and a mechanistic explanation for alteration of SOC pools following 10 years of N enrichment with different chemical forms. We detected significant negative priming effects both in soils collected from ammonium‐addition plots and in sterilized soils inoculated with soil microbes extracted from ammonium‐addition plots. In contrast, significant positive priming effects were found both in soils collected from nitrate‐addition plots and in sterilized soils inoculated with soil microbes extracted from nitrate‐addition plots. Meanwhile, the abundance and richness of graminoids were higher and the abundance of soil microbes was lower in ammonium‐addition than in nitrate‐addition plots. Our findings provide evidence that shifts toward higher graminoid abundance and changes in soil microbial abundance mediated by N chemical forms are key drivers for priming effects and SOC pool changes, thereby linking human interference with the N cycle to climate change.     

稻田土壤有机碳矿化及其激发效应对磷添加的响应

采用室内模拟培养和¹³C同位素标记技术相结合的研究方法,探讨了在葡萄糖与无机氮肥共施的条件下,土壤有机碳矿化及其激发效应对外源磷添加的响应,以揭示土壤有机碳矿化的碳磷耦合调控机制.结果表明:外源磷的输入加快了CO_2的释放,但抑制了CH_4的释放;在整个土壤淹水培养期间,磷添加抑制了土壤碳矿化释放CH_4总量的53.1%,其中外源葡萄糖-¹³C矿化成¹³CH_4的总量降低了70.5%;磷添加促使通过微生物转化的葡萄糖-¹³C向易利用态碳库的分配比例增加了3.6%,显著提高土壤有机碳快库矿化速率,缩短土壤碳矿化周期.土壤培养前期,外源有机质的添加表现为短暂的负激发效应;随着葡萄糖不断矿化分解,CO_2累积激发效应(PE_{CO_2})总体上呈现先增加后下降的趋势,而CH_4累积激发效应(PE_{CH_4})稳步增加最终保持基本稳定状态;培养结束时(100 d),在磷添加条件下,PE_{CO_2}增强32.3%,PE_{CH_4}显著降低93.4%.冗余分析和Pearson分析表明,电导率、氧化还原电位和溶解有机碳对稻田土壤碳矿化的影响最为显著;速效磷与¹³CH_4、PE_{CH_4}呈极显著负相关.在外源有机质添加条件下,磷的添加能够抑制CH_4排放及其激发效应,促进土壤有机质的矿化和养分释放,提高土壤原有有机碳的可利用性,促进稻田土壤有机碳循环.     

氮沉降增加情景下植物-土壤-微生物交互对自然生态系统土壤有机碳的调控研究进展

大气氮沉降增加倾向于促进受氮限制陆地生态系统地上生物量,但是对地下碳过程和土壤碳截存的影响结果迥异,导致陆地生态系统“氮促碳汇”的评估存在很大的不确定性。大气氮沉降输入直接影响微生物活性或间接影响底物质量,改变凋落物和土壤有机质(SOM)的分解速率和分解程度,进而影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗过程。过去相关研究主要集中在土壤碳转化过程和碳储量动态方面,缺乏植物-微生物-SOM交互作用的理解,对土壤碳截存调控的生物化学和微生物学机理尚不清楚。本文以地下碳循环过程为主线,分别综述了氮沉降增加对植物地下碳分配、SOC激发效应、微生物群落碳代谢过程的影响,深入分析SOM化学稳定性与微生物群落动态的关系。该领域研究的薄弱环节体现在:(1)增氮倾向于降低根系的生长和周转,对根际沉积碳分配(数量和格局)的影响及驱动因素不明确;(2)虽然认识到氮素有效性影响土壤激发效应的方向和强度,但是氧化态NO-3和还原态NH+4输入对有机质激发效应的差异性影响及潜在机理知之甚少;(3)微生物碳利用效率(CUE)是微生物群落碳代谢的关键表征,能够很好地解释土壤碳的积累与损耗过程;由于缺乏适宜的测定方法,难以准确量化土壤微生物的CUE及微生物生物量的周转时间;(4)增氮会抑制土壤真菌群落及其胞外酶活性,对细菌群落组成的影响尚未定论,有关SOM化学质量与土壤微生物群落活性、组成之间的耦合关系尚不清楚。未来研究应基于长期的氮添加控制实验平台,结合碳氧稳定性同位素示踪、有机质化学、分子生物学和宏基因组学等方法,深入分析植物同化碳的地下分配规律、微生物碳代谢和周转、有机质化学结构与功能微生物群落的耦合关系等关键环节。上述研究将有助于揭示植物-土壤-微生物交互作用对SOC动态的调控机制,完善陆地生态系统碳-氮耦合循环模型,有效降低区域陆地碳汇评估的不确定性,并可为陆地生态系统应对全球变化提供科学依据。     

Microbial control of soil organic matter mineralization responses to labile carbon in subarctic climate change treatments

Half the global soil carbon (C) is held in high‐latitude systems. Climate change will expose these to warming and a shift towards plant communities with more labile C input. Labile C can also increase the rate of loss of native soil organic matter (SOM); a phenomenon termed ‘priming’. We investigated how warming (+1.1 °C over ambient using open top chambers) and litter addition (90 g m^?2 yr^?1) treatments in the subarctic influenced the susceptibility of SOM mineralization to priming, and its microbial underpinnings. Labile C appeared to inhibit the mineralization of C from SOM by up to 60% within hours. In contrast, the mineralization of N from SOM was stimulated by up to 300%. These responses occurred rapidly and were unrelated to microbial successional dynamics, suggesting catabolic responses. Considered separately, the labile C inhibited C mineralization is compatible with previously reported findings termed ‘preferential substrate utilization’ or ‘negative apparent priming’, while the stimulated N mineralization responses echo recent reports of ‘real priming’ of SOM mineralization. However, C and N mineralization responses derived from the same SOM source must be interpreted together: This suggested that the microbial SOM‐use decreased in magnitude and shifted to components richer in N. This finding highlights that only considering SOM in terms of C may be simplistic, and will not capture all changes in SOM decomposition. The selective mining for N increased in climate change treatments with higher fungal dominance. In conclusion, labile C appeared to trigger catabolic responses of the resident microbial community that shifted the SOM mining to N‐rich components; an effect that increased with higher fungal dominance. Extrapolating from these findings, the predicted shrub expansion in the subarctic could result in an altered microbial use of SOM, selectively mining it for N‐rich components, and leading to a reduced total SOM‐use.