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。     

云杉碳氮化学计量比对土壤水分和氮有效性的响应

以西南亚高山针叶林优势种——粗枝云杉(Picea asperata)为研究对象,探究不同土壤水分状况和氮添加下云杉碳氮化学计量比的变化及其响应过程。采用两因素(水分×氮素)随机区组实验,设置5个土壤水分梯度和3个氮添加浓度,其中土壤水分梯度分别是土壤田间持水量的40%(W1)、50%(W2)、60%(W3)、80%(W4)和100%(W5),氮添加浓度分别为0(N0)、20(N1)、40(N2)gNm~(-2) a~(-1)。结果表明:(1)土壤水分和氮添加显著影响了云杉碳氮化学计量比(P0.05),具体为:云杉植株和器官碳氮比在N0W4处理下最大值,随土壤水分有效性的降低而减小,随氮添加浓度的增加而降低。(2)随土壤水分有效性的降低,根和叶的碳含量显著升高(P0.05),茎和叶的碳含量随着氮添加浓度的增加而降低。此外,土壤水分有效性的降低显著提高了根和茎的氮含量(P0.05),各器官的氮含量随着氮添加浓度的增加而增加。在相同水分和氮添加浓度处理下表现为碳含量:叶茎根,氮含量:叶根茎。(3)云杉净光合速率随土壤水分有效性的降低先升高后降低,随氮添加浓度增加而增加,在N2W4达到最大。(4)根对NH~+_4和NO~-_3的净吸收速率随土壤水分有效性的降低而减小,随氮添加浓度的增加而显著增加(P0.05)。此外,根对NH~+_4的净吸收速率与土壤有效氮含量呈显著负相关关系(P0.05)。本研究表明,土壤水分和氮添加影响了云杉的碳同化和氮吸收过程,改变植物的碳、氮分配策略和养分利用效率,从而导致碳氮比的变化。     

河岸带农田不同恢复年限对土壤碳氮磷生态化学计量特征的影响——以温榆河为例

弃耕地撂荒是土壤与植被向自然方向进行的次生演替,研究河岸带土壤撂荒后碳氮磷生态化学计量特征,是恢复和重建由农田干扰导致的退化河岸带生态系统的重要科学基础之一。以河岸带农地为对照,不同撂荒年限(撂荒2年、撂荒8年、撂荒10年)的土壤为研究对象,探索不同撂荒年限对土壤碳、氮、磷含量及相互关系的影响。结果表明:(1)土壤有机碳、氮的含量均呈现撂荒10年撂荒8年农田撂荒2年;土壤中磷含量呈现撂荒10年撂荒8年撂荒2年农田;农田和各撂荒年限的土壤碳、氮、磷含量,均随着土层深度的增加而呈降低的规律,但土壤碳和氮差异的显著性比磷明显。(2)河岸带土壤中C/N、C/P的均值均呈现:撂荒10年农田撂荒8年撂荒2年趋势。N/P的均值呈现:撂荒10年(0.78)农田(0.77)撂荒8年(0.77)撂荒2年(0.67),表明N是本研究区河岸带植被恢复的限制性营养元素。(3)河岸带农田和不同撂荒年限土壤碳、氮含量均存在极显著的耦合线性关系,而碳与磷、氮与磷之间的线性拟合程度相对较低。(4)在农田撂荒演替的初期阶段(2年),土壤的容重没有显著的变化,而随着撂荒时间的增加(8年和10年),土壤容重均有显著的降低,土壤结构得到改善。     

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。     

荒漠土壤微生物量碳、氮变化对降水的响应

以腾格里沙漠东南缘的典型荒漠植被为研究对象,通过遮雨棚和滴灌系统设置5个降水梯度,即极端干旱处理、中度干旱处理、对照、增水处理I和增水处理II,研究了荒漠土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)和微生物碳氮比(MBC/MBN)对季节、降水和土壤深度的响应规律,以期为极端降水事件影响干旱荒漠区土壤微生物量碳、氮及其循环规律的深入研究提供科学依据。结果表明:(1)MBC、MBN和MBC/MBN对降水处理的响应存在差异,三者的变化范围为:230.14-272.87 mg/kg,13.82-17.58 mg/kg,19.78-36.06。其中,降水处理对MBC、MBN的影响显著,对MBC/MBN的影响不显著,在极端干旱处理下,MBC、MBN均显著高于其他降水处理;(2)两年间的MBC、MBN和MBC/MBN差异显著,2017年较2016年MBC、MNB显著减少,MBC/MBN显著增加;(3)MBC、MBN和MBC/MBN变化均表现季节性差异,变化范围分别为:153.31-337.09 mg/kg,7.89-22.29 mg/kg,14.82-46.04,其中MBC、MBN为春季最高、秋季最低,MBC/MBN为夏季最低、冬季最高;(4)MBC、MBN和MBC/MBN在土壤0-20 cm的变化范围为:232.57-265.15 mg/kg,14.00-17.93 mg/kg,24.37-32.07,其中土壤表层(0-5 cm)MBC、MBN显著高于中层土壤(5-10 cm)和下层土壤(10-20 cm),而不同土壤深度的MBC/MBN差异不显著。因此,在极端降水事件频发的全球气候背景下,极端干旱将影响荒漠生态系统MBC、MBN水平,进而对碳、氮平衡和循环过程产生影响,对这一问题的确切回答尚需长期系统监测研究。     

戴云山黄山松林土壤碳组分的海拔变化特征及影响因素

海拔梯度可能通过多种环境因子影响土壤有机质,土壤有机碳库是土壤有机质的重要组成部分,其微小变化将会产生极其重要的影响。因此海拔差异可能导致海拔间土壤碳库差异。土壤有机碳是反映土壤肥力的重要指标,可能受土壤理化性质和微生物等多种因素的影响。黄山松是高山地绿化和用材的优良树种,近年来戴云山自然保护区内高海拔地区的黄山松群落呈现衰退趋势。研究戴云山黄山松林土壤有机碳组分沿海拔梯度的变化情况,不仅可以为该区域碳库估算提供科学依据,而且有助于揭示影响黄山松生长变化的机理。因此,选取戴云山不同海拔[1300 m (L)、1450 m (M)和1600 m (H)]梯度的黄山松林,对其土壤基本理化性质、有机碳组分及微生物特征进行测定和分析。研究发现,海拔梯度下土壤养分含量呈先升高后降低的变化趋势,土壤碳组分含量与其变化一致,且微生物生物量碳和微生物生物量氮均在M海拔处最高,海拔梯度对碳水解酶没有显著影响。冗余分析表明,总氮是影响土壤有机碳变化的最主要因素,其次是碳氮比。因此在海拔跨度不大的情况下,土壤有机碳动态可能主要受氮素而非温度的影响。高海拔地区土壤惰性碳占比高,未来可能会持续加剧该地区黄山松的生长困境,使该区域碳库受到影响。     

不同生态恢复模式对黄土残塬沟壑区深层土壤有机碳的影响

黄土高原退耕还林近20年来,大量生态恢复工程的实施,势必对土壤碳库产生影响。为评估生态恢复的土壤碳汇效益,本研究以黄土残塬沟壑区天然次生林、人工生态林和人工经济林等3种生态恢复模式为对象,研究其4 m土壤有机碳(SOC)储量。结果表明:(1)三种生态恢复模式具有明显的碳汇效益。天然次生林4 m SOC储量为(166.40±42.90) t/hm~2比坡中农地((58.73±4.73) t/hm~2显著增加了183.33%;人工生态林和人工经济林分别为(111.32±13.30) t/hm~2、(104.60±7.10) t/hm~2比坡中农地高89.54%、78.11%;(2)0—60 cm SOC含量随深度的增加显著降低(P0.05),由表层的(11.03±7.51) g/kg减少到(2.40±0.93) g/kg,降幅达78.22%,表现出明显的表聚性;60—400 cm SOC含量变化较为稳定,含量较低为(1.81±0.88) g/kg;(3)三种恢复模式深层(1—4 m)SOC储量与坡中农地相比分别提高109.43%、76.43%、65.06%;深层SOC储量天然次生林((77.81±8.40) t/hm~2)、人工生态林((65.55±7.71) t/hm~2)、人工经济林((61.32±3.16) t/hm~2)分别占4 m剖面有机碳储量的46.76%、58.89%、58.62%。结果表明天然次生林和人工混交林是黄土高原残塬沟壑区良好的生态恢复模式,且深层SOC在土壤碳库中不可忽视。     

高寒草甸优势植物叶内、根内与土壤原核微生物群落的分异

植物内生菌具有帮助植物吸收营养元素,增强植物免疫力,抵御外界生物和非生物胁迫等功能。植物的根内和叶内存在大量的内生菌,影响着植物的健康生长。但不同植物地下(根内)和地上(叶内)内生原核微生物,以及与土壤微生物在组成和群落结构上的差异和联系还有待探索。以青藏高原高寒草甸三种优势植物青藏苔草(Carex moorcroftii)、火绒草(Leontopodium jacotianum)和高山嵩草(Carex parvula)为对象,研究了高寒草甸优势植物叶内、根内、土壤原核微生物组的组成及其与样品类型和植物类型之间的关系。结果表明:1)在门分类水平上,有13个门在土壤、叶内和根内之间有显著差异,只有5个门在不同植物之间有显著性差异,分别是变形菌门、厚壁菌门、酸杆菌门、疣微菌门以及FBP;2)在α多样性上,同种植物土壤、叶内、根内之间差异显著,而不同植物在土壤和根内差异显著,但在叶内无显著性差异;3)样品类型(叶内、根内以及土壤)是决定植物微生物组差异的最主要因子,对微生物群落变异的贡献度为20.13%;不同植物类型之间微生物群落也有显著性差异,植物类型对总变异的贡献率为14.41%,并且植物类型和植物相关部位(叶内,根内)以及土壤之间有强烈的交互作用(17.40%)。以上结果表明,每种植物叶内、根内以及周边土壤都具有独特的生态位,体现了原核微生物在样品类型和不同植物间上生态位的差异,同时也表明了原核微生物群落对这些生态位的适应性。最后,我们确定了与土壤相比有显著性差异的叶内和根内特有的微生物菌群并对高丰度菌群进行功能预测,以假单胞菌Pseudomonas为代表的菌群在叶内和根内显著富集,这些微生物包含参与多种代谢过程的功能基因,在促进营养元素吸收、提高植物在寒冷中的生态适应性方面有着重要的潜在功能。本研究的结果对深入探索高寒环境下植物-内生微生物互作机制提供了科学数据。     

冬季升温对高山生态系统碳氮循环过程的影响

全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于休眠状态,这会直接影响土壤中有效氮的吸收与损失,引起土壤有效氮可利用性的变化。然而,关于冬季增温对后续生长季节植物活动、土壤碳氮循环过程的影响等方面的研究仍存在诸多不确定。综述了冬季升温对积雪覆盖与冻融交替循环改变对高山生态系统物质循环的影响,以及冬季升温对土壤碳氮循环、微生物与酶活性的影响,并由此引起的植物物候期、群落结构、生产与养分循环与凋落物分解等生理、生态过程方面的研究进展。在未来的研究中,应针对不同生态系统特点选择合适的冬季增温方式,加强非极地苔原地区关于冬季升温的研究,注重关注冬季升温对植物-土壤微生物之间反馈作用的影响,重点关注冬季升温对生态系统的延滞效应。     

有机物料还田对双季稻田土壤有机碳及其活性组分的影响

有机物料还田是提升农田土壤有机碳、培肥土壤的重要措施。为探讨不同有机物料的还田效果,采用室外培养方法,研究了在等碳输入条件下,施用水稻秸秆、紫云英、生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭对洞庭湖双季稻区潮土有机碳和活性有机碳组分含量的影响。结果表明: 经过180 d的培养试验,与不施用有机物料相比,施用有机物料提高了土壤活性有机碳含量。生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭处理分别使土壤有机碳含量显著提升了26.1%、9.7%和30.7%,水稻秸秆和紫云英对土壤有机碳含量的提升效应在试验期间并不显著。水稻秸秆和紫云英还田更有利于土壤可溶性有机碳和微生物生物量碳的积累,猪粪更有利于土壤可溶性有机碳的积累,生物有机肥更有利于土壤微生物生物量碳和易氧化有机碳的积累,水稻秸秆生物炭则更有利于土壤微生物生物量碳和轻组有机碳的积累。与水稻秸秆还田相比,紫云英、生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭还田使土壤碳库管理指数分别提高了31.8%、111.6%、62.2%和50.7%。从土壤固碳和土壤碳库管理指数来看,生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭的还田效果优于水稻秸秆和紫云英还田。