线虫区系分析指示土壤食物网结构和功能研究进展

土壤食物网结构复杂,功能众多,直接测定土壤食物网各功能群生物量并结合数学模型来推断土壤食物网结构和功能,工作量大且分析过程繁琐。线虫生态学的发展为土壤食物网的研究开辟了一条新的思路,即利用线虫区系分析来定性推断食物网的结构和功能。线虫作为土壤中数量最丰富的后生动物,占据着土壤食物网的中心位置,其物种多样性、食性多样性、生活史策略多样性、功能团多样性奠定了其作为土壤食物网结构和功能指示生物的生态学基础。线虫区系分析根据发展历史可以分为个体分类、生活史策略分类、功能团分类和代谢足迹分类四个时期,其中后两个时期主要用于推断土壤食物网结构和功能。基于功能团的线虫区系分析将线虫的食性和生活史策略结合起来,发展出一系列指数来判断土壤食物网的连通性、食物网链长度、外界养分投入情况、分解途径及对外界干扰的响应等。基于代谢足迹的线虫区系分析在功能团分析基础上,加入线虫能流分析,从而定性反映了土壤食物网功能的大小。两者在指示土壤食物网自下而上调节及对植物线虫控制等方面起着重要的作用。     

黄土高原半干旱区不同苜蓿-作物种植方式下土壤线虫群落组成及代谢足迹

线虫群落在土壤生态系统物质循环和能量流动过程中起着重要的作用。本研究以宁夏南部山区3种苜蓿-作物种植方式[苜蓿连作(A-A)、苜蓿-玉米轮作(A-C)、苜蓿-马铃薯轮作(A-P)]为对象,探讨不同种植方式下土壤理化性质、线虫群落组成结构及代谢足迹特征,评价黄土高原半干旱区苜蓿-作物种植方式对土壤食物网结构和功能的影响。结果表明: 1)与苜蓿连作相比,苜蓿-玉米和苜蓿-马铃薯轮作方式下土壤有机碳含量分别增加了4.6%、7.4%,全氮含量分别增加了4.0%、5.2%,土壤微生物生物量碳和氮也有显著提高;2)在苜蓿连作方式下,线虫总多度为211 条·100 g^-1干土,植食线虫为优势营养类群(35.7%),而在苜蓿-玉米和苜蓿-马铃薯轮作方式下,土壤线虫总多度较苜蓿连作有所增加(分别增加49.5%、93.7%),捕-杂食线虫成为优势营养类群(所占比例分别为45.7%、37.6%);3)相较于苜蓿连作,苜蓿-作物轮作方式下,植物寄生线虫指数(PPI)显著降低,表明植物寄生线虫在土壤食物网中的危害减轻;而线虫通路指数(NCR)有所增加,表明苜蓿-作物轮作方式下,土壤有机质分解过程中细菌分解作用进一步增强;4)苜蓿-作物轮作方式下,土壤线虫成熟度指数(MI)及其复合足迹、富集足迹、结构足迹均显著提高,土壤线虫的生产力和代谢活性显著增强,线虫群落的结构和功能更为成熟稳定。研究表明,相比苜蓿连作,苜蓿-作物轮作改善了土壤养分状况,使得土壤食物网的资源输入和能量利用效率均有所增加,受干扰程度显著降低,土壤生态系统更为稳定健康,因而有利于农业的可持续发展。     

土壤微食物网结构与生态功能

土壤微食物网是碎屑食物网中与土壤生态过程密切相关的一部分,通过取食资源基质直接或间接地参与养分循环过程,影响陆地生态系统功能.本文从土壤微食物网的组成、结构和生态功能等方面综述了近年来土壤微食物网的研究进展.通过对土壤微食物网的能量通道及营养级联效应的介绍,阐述了土壤微食物网在碳(C)、氮(N)转化、凋落物分解和植物生长等方面的重要作用.针对目前的研究现状,提出未来土壤生态学研究应与高通量测序及稳定同位素技术相结合;通过构建模型进一步加强对土壤食物网结构和功能的研究,从而深入揭示地下生态过程及其对地上植物生长的反馈作用机理.     

土壤食物网:结构、能流及稳定性

在国外4个土壤生态学项目的基础上,结合其他学者的研究成果,从连通网、能流网及功能网3个层次分别阐述了土壤食物网的结构、能流与稳定性。在连通网中,主要描述土壤食物网的功能群、营养位及格局;在能流网中,主要描述了面向过程食物网模型及其应用,主要涉及到土壤中的碳流与氮流;在功能网中,以作用强度为中心,描述了土壤食物网的稳定性问题。     

土壤动物多样性的地理分布及其生态功能研究进展

土壤动物多样性地理分布及其生态功能研究已成为地学和生态学等领域共同关注的科学前沿。本文在介绍相关研究最新进展的基础上, 讨论已有研究的局限性或不确定性, 展望未来研究的重点方向。近10年来, 代表性土壤动物类群的全球分布研究取得突破性进展; 国内土壤动物研究的尺度和采样区域也有明显拓展, 尤其在蚯蚓和线虫相关研究上取得了系列成果。结果表明, 土壤动物多样性随纬度的变化模式主要有两种, 即在低纬度的热带最高或在中纬度的温带最高; 而土壤动物多度与多样性可能同步变化、无明显关系、截然不同甚至相反; 降水、植物生产力和土壤有机质是土壤动物分布格局的关键驱动力, 但它们的影响力因土壤动物类群不同而异。土壤动物具有改善土壤物理结构、促进养分循环和有机碳稳定、提高作物健康水平等多重功能; 土壤动物的多功能性评估方兴未艾, 但仍面临诸多挑战。简单分析土壤动物随经纬度等的变化规律存在较大局限性, 考虑在基于地质-生态历史及“经纬度-海拔-离海岸距离”等构建的多维时空框架内, 探究土壤动物分布特征及其驱动力。土壤动物分布格局对其潜在的生态功能有关键影响, 但是目前对土壤动物分布格局的预测和模拟仍主要依靠经验模型; 代谢生态学等理论在土壤动物群落研究中的应用值得关注。探究分类多样性的冗余机制, 突出功能多样性, 可以将生物多样性与生态功能更好地联系起来; 同时, 需要在特定条件和时空下, 从整个土壤食物网及其与植物的联系中理解土壤动物多样性与多功能性的联系。建议未来关注两个研究方向: (1)量化人类活动和气候变化给土壤动物多样性和生态功能带来的巨大不确定性; (2)完善土壤动物群落特征预测的理论框架和开展土壤动物群落的精准调控, 综合评价其多功能性, 进而将土壤动物与人类福祉更紧密地联系起来。     

土壤动物多样性及其生态功能

土壤无脊椎动物生物量通常小于土壤生物总生物量的10%,但它们种类丰富,取食行为及生活史策略多种多样,且土壤动物之间,土壤动物与微生物之间存在着复杂的相互作用关系。土壤动物的生态功能主要通过取食作用(trophic effect)和非取食作用(non-trophic effect)来实现。原生动物数量大、周转快,故原生动物本身的代谢活动(即取食作用)对碳氮矿化的贡献可以接近甚至超过细菌的贡献;然而大多数中小型土壤动物的本身代谢过程对碳氮矿化的贡献远低于土壤微生物,但它们可以通过取食作用来调节微生物进而影响碳氮的矿化。大型节肢动物中的蜘蛛和地表甲虫等捕食者经常活跃于地表,它们常常会通过级联效应对土壤生态系统产生重要的影响。蚯蚓、白蚁等大型土壤动物除可以通过取食作用以外,还可以通过非取食作用调控土壤微生物,进而显著影响土壤碳氮过程。土壤动物取食行为的多样性和复杂的非营养关系的存在造就了多维度的土壤食物网,给土壤动物的生态功能研究带来了巨大的挑战。介绍了土壤动物的多样性及主要的生态功能,并对研究的热点和前沿问题进行了探讨,以期引起关于土壤动物多样性及其生态功能的深入思考。     

Plant functional groups mediate effects of climate and soil factors on species richness and community biomass in grasslands of Mongolian Plateau

植物功能群在调控气候和土壤因子对蒙古高原草原群落物种丰富度和生物量影响中的作用 植物功能群组成主要受环境因素驱动,同时植物功能群组成也是影响草地生物多样性和生产力的主要因素之一。因此,理解植物功能群在调控环境因素对生态系统功能和生物多样性影响中可能发挥的作用至关重要。通过对蒙古高原草原65个样点的植物生物量和物种丰富度的调查,将157种多年生草本植物分为两种植物功能群(即禾草和杂类草)。通过随机森林模型和普通最小二乘回归,确定与植物功能群物种丰富度和地上生物量显著相关的环境因素(即干燥度、土壤总氮和pH),并利用结构方程模型探讨筛选出的环境因素与群落物种丰富度和生物量间的关系,以及植物功能群在驱动这种关系中发挥的作用。干燥度与禾草、杂类草以及整个群落的地上生物量和物种丰富度均呈显著的单峰关系。所有的物种丰富度和生物量指标均与土壤总氮和pH值显著相关。禾草在维持蒙古高原草原生态系统群落生物量中起着关键作用,并受气候因素的直接影响。而杂类草物种丰富度决定了群落总丰富度,并受到土壤因素直接的调控。因此,群落组成在调控环境因素对群落生物量和植物多样性的影响中起着关键作用。     

土壤健康的生物学表征与调控

如何有效判定土壤健康状态是实现农业绿色发展的基本问题。在现有的土壤健康评价体系中,很少考虑土壤生物在维持土壤健康方面的作用。基于此,本文论述了土壤健康的内涵,从土壤生物健康的角度,总结了土壤健康的生物学表征指标,阐述了土壤微生物、土壤酶活性、土壤微食物网及蚯蚓对土壤健康的指示作用。基于上述生物指标,从作物和土壤管理等方面探讨了不同农田管理措施对土壤健康状况的调控途径,并对土壤生物健康的未来发展趋势进行了展望。本文旨在增强科学家和决策者对维护土壤生物健康的认识,充分发挥土壤生物在生态系统服务中的重要作用。     

土壤跳虫对氮磷养分响应的研究进展

土壤跳虫是土壤分解者中最重要的类群之一,它们通过营养联系将基础食物资源中的物质和能量传递到更高营养级,在地下食物网中具有不可替代的作用。在全球氮磷沉降日趋严重的背景下,土壤跳虫群落如何响应氮(N)、磷(P)沉降的研究还十分有限,严重阻碍了我们对跳虫群落的生态功能、在地下食物网的物质循环和能量流动以及陆地碳(C)循环中作用的科学认识。跳虫功能群的分类标准不一导致相关研究结果可比性差。本文整理了跳虫功能群的3种分类方法,归纳了4种研究跳虫营养关系的方法,总结了N、P养分添加下土壤跳虫的响应机制。总体上,跳虫对N添加的响应多表现为负效应即种群密度降低,而对P添加的响应则多表现为正效应,N、P混施下,跳虫群落的变化更为复杂。未来土壤跳虫对N、P添加响应的研究应聚焦在跳虫功能群的科学划分、跳虫营养结构研究方法的完善和N、P交互对跳虫群落的作用机制上。     

试论土壤线虫多样性在生态系统中的作用

土壤线虫的物种多样性和功能群丰富, 不同功能群的土壤线虫取食习惯也不一样, 而土壤线虫取食习惯的多样性以及它们自身的一些属性决定了它们在土壤中与其他生物之间关系的复杂性。土壤中不同生物之间的相互作用决定了土壤食物网的复杂性, 进而影响着土壤生态系统功能。然而, 有关土壤线虫的多样性与土壤生态系统功能之间的关系的研究还很不足。要全面了解土壤线虫在生态系统中的作用, 研究工作必须: (1) 结合室内模拟和野外控制实验; (2) 结合物种多样性调查和不同功能群的功能分析。     

基于土壤食物网的生态系统复杂性-稳定性关系研究进展

复杂性-稳定性关系是生态学核心问题之一。作为模式食物网,土壤食物网在探索生态系统复杂性-稳定性关系中起了极大的作用。总结了以Moore、de Ruiter、Neutel等为代表的理论生态学家以土壤食物网为工具研究生态系统复杂性-稳定性关系的方法、结论及不足之处,并展望了未来的发展方向。Moore、de Ruiter、Neutel等将土壤食物网功能群生物量数据、土壤食物网Lotka-Volterra模型和面向过程模型三者结合起来,描述相互作用强度大小格局、分室、能流组织形式等复杂性特征;将土壤食物网Lotka-Volterra模型与群落矩阵结合起来分析局域稳定性,进而探讨生态系统复杂性-稳定性关系的一般规律。在此基础上,Moore、de Ruiter、Neutel等证明了与随机食物网相比,真实食物网的相互作用强度格局、分室等复杂性特征提高了生态系统稳定性,生产力与稳定性共同决定了食物链的长度,并指出建立在平衡态基础上的静态土壤食物网模型在探索生态系统复杂性-稳定性关系方面具有较大的不足,动态土壤食物网是未来以土壤食物网为工具研究生态系统复杂性-稳定性关系的发展方向。     

Climate change and multitrophic interactions in soil: the primacy of plants and functional domains

Soil multitrophic interactions transfer energy from plants as the predominant primary producer to communities of organisms that occupy different positions in the food chain and are linked by multiple ecological networks, which is the soil food web. Soil food web sequesters carbon, cycles nutrients, maintains soil health to suppress pathogens, helps plants tolerate abiotic and biotic stress, and maintains ecosystem resilience and sustainability. Understanding the influence of climate change on soil multitrophic interactions is necessary to maintain these essential ecosystem services. But summarising this influence is a daunting task due to a paucity of knowledge and a lack of clarity on the ecological networks that constitute these interactions. The scant literature is fragmented along disciplinary lines, often reporting inconsistent findings that are context and scale‐dependent. We argue for the differentiation of soil multitrophic interactions along functional and spatial domains to capture cross‐disciplinary knowledge and mechanistically link all ecological networks to reproduce full functionalities of the soil food web. Distinct from litter mediated interactions in detritosphere or elsewhere in the soil, the proposed ‘pathogen suppression’ and ‘stress tolerance’ interactions operate in the rhizosphere. A review of the literature suggests that climate change will influence the relative importance, frequency and composition of functional groups, their trophic interactions and processes controlling these interactions. Specific climate change factors generally have a beneficial influence on pathogen suppression and stress tolerance, but findings on the overall soil food web are inconsistent due to a high level of uncertainty. In addition to an overall improvement in the understanding of soil multitrophic interactions using empirical and modelling approaches, we recommend linking biodiversity to function, understanding influence of combinations of climatic factors on multitrophic interactions and the evolutionary ecology of multitrophic interactions in a changing climate as areas that deserve most attention.     

Intensive agriculture reduces soil biodiversity across Europe

Soil biodiversity plays a key role in regulating the processes that underpin the delivery of ecosystem goods and services in terrestrial ecosystems. Agricultural intensification is known to change the diversity of individual groups of soil biota, but less is known about how intensification affects biodiversity of the soil food web as a whole, and whether or not these effects may be generalized across regions. We examined biodiversity in soil food webs from grasslands, extensive, and intensive rotations in four agricultural regions across Europe: in Sweden, the UK, the Czech Republic and Greece. Effects of land‐use intensity were quantified based on structure and diversity among functional groups in the soil food web, as well as on community‐weighted mean body mass of soil fauna. We also elucidate land‐use intensity effects on diversity of taxonomic units within taxonomic groups of soil fauna. We found that between regions soil food web diversity measures were variable, but that increasing land‐use intensity caused highly consistent responses. In particular, land‐use intensification reduced the complexity in the soil food webs, as well as the community‐weighted mean body mass of soil fauna. In all regions across Europe, species richness of earthworms, Collembolans, and oribatid mites was negatively affected by increased land‐use intensity. The taxonomic distinctness, which is a measure of taxonomic relatedness of species in a community that is independent of species richness, was also reduced by land‐use intensification. We conclude that intensive agriculture reduces soil biodiversity, making soil food webs less diverse and composed of smaller bodied organisms. Land‐use intensification results in fewer functional groups of soil biota with fewer and taxonomically more closely related species. We discuss how these changes in soil biodiversity due to land‐use intensification may threaten the functioning of soil in agricultural production systems.     

The Power of Regeneration: Lessons from a Degraded Grassland

To gain insight into mechanisms controlling ecosystem regeneration, we investigated a grassland that was heavily polluted by a phosphate fertilizer factory between 1960 and 1990. Abiotic and biotic filters that influenced species assemblage and succession were monitored and restoration approaches assessed. Studies included the investigation of soil parameters, impact of abiotic stress on microbes and plants, plant succession, recolonization mechanisms, functional group interactions, mycorrhizal diversity and function, and food web analysis. Results indicate that after cessation of pollution, the system had high potential for self‐recovery. About 15 years of research are now summarized by interrelating the results of all projects and fitting them into one conceptual model.     

稀土元素对农田生态系统的影响研究进展

稀土矿的开采和冶炼、稀土农用等导致农田土壤稀土元素含量不断积累,对农田生态系统结构和功能稳定产生严重的影响。综述了近20年来国内外农田生态系统稀土元素的主要来源、分配和输出,土壤和植物中稀土元素的测定方法,稀土元素对农田生态系统中植物、微生物、动物以及人类健康影响的研究进展。探讨了农田生态系统稀土元素的毒性评价和稀土污染土壤的修复措施。最后提出开展稀土元素对农田生态系统影响研究还需要加强的一些问题。     

土壤生物与可持续农业研究进展

农业的可持续发展是人类文明持续繁荣的重要保障。从原始农业到工业化农业的发展历程,是"自然力"不断削弱,"人为调控力"不断加强的过程。新兴的可持续农业,则希望将人为调控和自然过程协调融合,建立近自然的高效的现代农业体系。但是,面对土壤生物极高的多样性、生物和非生物过程的复杂互作及其高度的时空异质性,基于还原论的传统科学研究方法探究地下生态系统的"自然过程"困难重重。人为管理措施对农田生态过程调控的针对性和调控效果受到极大限制。尽管如此,土壤生物在生态系统服务中的作用已在世界范围内得到空前重视。如何充分发挥土壤生物在可持续农业中的作用,已成为现代农业研究领域的重要突破口。简述了土壤生物与可持续农业研究的学科发展历史,总结了农业管理措施对土壤生物及土壤食物网特征的影响,突出了土壤生物群落在可持续农业模式中土壤结构改善、土壤肥力提高和化肥农药减施等方面的积极作用;最后探讨了当前的研究难点和未来的研究方向,并对如何充分发挥土壤生物在现代农业中的贡献进行了初步的思考。认为:土壤有机质,土壤结构和土壤食物网以及三者的内在联系是可持续农业研究的关键。土壤有机质管理是调控土壤结构、土壤食物网及生态系统生产力的重要支点,但也是可持续农业模式不确定性的重要来源。基于同位素示踪等整体性分析方法,开展典型农田生态系统土壤食物网特征及其生态功能的系统研究,揭示农业模式、土壤食物网特征及生态系统生产力的关键联系,是充分发挥土壤生物在可持续农业中的积极作用的基础。     

细菌生物膜在农田土壤污染修复中的应用研究进展

全球农田土壤污染日趋严重。重金属、农药、微塑料作为常见的土壤污染物,已对农田生态系统与粮食安全造成严重威胁。细菌生物膜(bacterial biofilm,BF)作为分布于细菌表面的多组分聚集体,近年来已被证明在环境保护领域具有较高的应用价值。本文主要介绍了细菌生物膜的组成和功能,并对近年来细菌及其生物膜在重金属、有机物污染土壤修复中的应用及机理进行综述,展望生物膜群落结构在污染土壤中的修复潜力,以期深入理解细菌生物膜的关键作用,为挖掘更多细菌生物膜在环境保护方面的应用潜力提供理论指导。