保护性耕作对东北黑土微生物碳循环功能基因的影响

土壤微生物既参与土壤有机碳的分解也是土壤有机碳转化和固定的驱动者,是影响土壤碳循环和有机碳稳定性的关键因素。然而,保护性耕作（秸秆还田）如何通过调节土壤微生物碳循环功能基因组成来影响土壤CO₂释放的机理尚不明确。因此,依托中国科学院东北地理与农业生态研究所长春保护性耕作观测站,借助鸟枪法宏基因组测序技术,分析了玉米连作系统不同耕作方式（免耕（NT）、秋翻（MP）以及常规耕作（CT））对土壤CO₂释放速率、碳水化合物活性酶（CAZy）、碳循环功能基因（碳固定、甲烷代谢以及碳水化合物代谢）组成的影响。研究表明：基于生长季节土壤CO₂释放速率6年平均值分析发现,生长季前期免耕土壤的平均CO₂释放速率显著低于秋翻和常规耕作,分别比秋翻低28%（5月份）、11%（6月份）和23%（7月份）;比常规耕作低31%（5月份）、19%（6月份）和7%（7月份）。基于CAZy数据库注释结果,发现耕作处理显著影响一些糖苷水解酶（如GH102、GH5_38和GH13_17）、糖基转移酶（如GT39）和多糖裂解酶（如PL17和PL5_1）的基因丰度,与常规耕作相比,秸秆还田的免耕和秋翻处理的这些差异基因的相对丰度较高。基于京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库注释结果,发现耕作方式显著影响土壤碳循环功能基因组成（Adonis,多元方差分析,R²=0.45;P=0.006）,且免耕处理土壤的碳固定、甲烷代谢以及碳水化合物代谢功能基因组成不同于常规耕作和秋翻处理,单独聚为一类。免耕土壤上调的碳固定功能基因的相对丰度（所有上调功能基因相对丰度的平均值）分别比常规耕作和秋翻高17%和11%,而下调的2个功能基因（K01007和K00170）的丰度分别低19%（CT）、21%（MP）和14%（CT）、17%（MP）。免耕土壤上调的甲烷代谢基因相对丰度分别较常规耕作和秋翻高15%和10%;下调基因的丰度分别低13%（CT）和11%（MP）。免耕土壤上调的碳水化合物代谢功能基因丰度较常规耕作和秋翻高23%和14%;下调的基因丰度分别低25%（CT）和18%（MP）。冗余分析（db-RDA）表明土壤容重及土壤水溶性有机碳（DOC）是驱动土壤碳循环功能基因组成差异的主要因子（P<0.05）,且免耕土壤上调的碳固定功能基因（K00625、K01676、K09709、K00925和K14470等）、甲烷代谢基因（K03520、K00830、K10713、K15633和K00625等）和碳水化合物代谢功能基因（K00886、K00830、K01676、K00117和K00114等）与土壤DOC、容重或含水量呈显著正相关。此外,研究发现土壤CO₂释放速率与土壤碳循环功能基因组成显著相关（R²=0.80;P<0.01）,尤其是与一些碳水化合物代谢功能基因显著相关。这些结果说明免耕处理通过影响土壤理化性质改变土壤碳循环过程,且推断免耕秸秆还田和减少干扰的叠加效应通过调节碳循环功能基因组成来提高土壤固碳潜力。     

土壤有机碳含量与同位素特征

根据长江口崇明东滩典型高程部位柱状样与鼎湖山不同海拔土壤剖面土壤有机碳(SOC)含量与SOC同位素资料(δ13C、Δ14C),研究了土壤有机质更新的元素与同位素特征。结果表明,土壤剖面δ13C最大值(δ13Cmax)深度以上土层的SOC含量与δ13C值呈负相关,该深度以下呈正相关。土壤SOC含量与δ13C呈负相关,说明有机质分解程度低,有机质中快循环组分的比例较高,为土壤表层新鲜有机质,有机质14C表观年龄不足200年;二者呈正相关指示有机质分解程度较高,为中、下部土层较稳定的有机质组分,成土年龄在300年以上。土壤SOC含量随时间下降的速率与成土时间呈负相关,δ13Cmax深度以下土层的下降速率明显低于该深度以上土层,且年代越老,SOC含量下降速率越慢,表明其有机质主要为慢循环组分。不同土壤剖面δ13C的时间趋势基本一致,在δ13Cmax深度以上土层,δ13C随时间延长而增大,该深度以下δ13C随时间延长而降低。土壤有机碳δ13C与SOC含量随时间的变化具有明显对应关系,表明二者的变化机制存在内在关联。     

水生生态系统的碳循环及对大气CO2的汇

水生生态系统,特别是海洋无疑是大气CO2的一个巨大的汇。海洋对大气CO2的汇以及大气圈和海洋之间碳的变换量在很大程度上取于混合层碳酸盐化学、水中溶解碳的平流传输、CO2通过空气－－海水界面的扩散、海洋生物生产和所产生的有面碳化合物的沉隆等,现在已建立和发展了多种海洋碳子模型以对CO2的汇进行估测。根据国内外研究资料,综述了水生生态系统碳循环过程及“生物泵”作用机制等方面的研究进展;介绍了两大类主要的海洋碳子模型：厢式模型和普通环流模型,采用这些模型对海洋碳汇的估算约为1.2-2.4GtC/a;分析了湖泊、河流等对大气CO2汇的特点及向海洋的转移,并对影响水体生态系统碳循环和大气CO2汇的因素进行了讨论。     

草地生态系统碳循环及其对全球变化的响应I.碳循环的分室模型、碳输入与贮量

概述了草地生态系统碳素循环的一般特征,介绍了一个草地碳循环的分室模型;对世界草地生态系统的碳贮量和碳输入量的有关数据进行了归纳整理,并初步讨论了草地生态系统在全球碳循环中的作用。     

水环境中有机碳循环的重要驱动力-噬菌体

随着气候温暖化问题日益突出,维持全球碳平衡成为人类可持续发展的关键。在超过地球表面70%的水环境中,生物有机碳循环是所有元素循环中最重要的一环。噬菌体的分布十分广泛,且含量丰富,其丰度可达106~108/mL,仅海洋噬菌体的总量即可达1030个。噬菌体在维持生物有机碳循环中贡献巨大,据估算经由海洋病毒完成的可溶性有机碳就达到全球碳循环的26%。主要针对噬菌体在海洋、湖泊、冰尘穴及湿地有机碳循环的作用进行了综述。     

自养微生物同化CO_2的分子生态研究及同化碳在土壤中的转化

大气中CO2浓度持续升高和全球气候变暖是亟待解决的重大环境问题。自养微生物在环境中广泛分布,能直接参与CO2的同化,因此研究自养微生物同化CO2的分子生态学机制具有重大的科学意义。以往对自养微生物的研究多针对基因组DNA,从DNA水平揭示了不同生态系统中碳同化自养微生物的种群结构和多样性,但这些微生物在生态系统中的具体功能有待进一步的研究。近年来,随着转录组学研究技术和稳定同位素探针技术(SIP)的发展,自养微生物同化CO2的生态机理研究不断深入,这些研究明确揭示了碳同化自养微生物是河流、湖泊和海洋生态系统中CO2固定作用的驱动者,并新发现了一些具有CO2同化功能的微生物群落。基于国内外有关研究进展,从DNA和RNA水平上对自养微生物同化CO2的分子机理以及稳定同位素探针技术(SIP)在碳同化微生物研究中的应用进行了分析和总结,初步展望了RNA-SIP技术在陆地生态系统碳同化微生物分子生态学研究中的前景。同时,探讨了陆地生态系统同化碳的转化和稳定性机理,以期为深入了解生态系统碳循环过程和应对气候变化提供理论依据。     

极端降水和极端干旱事件对草原生态系统的影响

当前人类活动的加剧显著地影响着全球大气循环的格局。大气循环的多个模型均预测未来全球气候变化的显著特征是极端降水事件和极端干旱事件发生的频率会显著增加。水分是干旱、半干旱区草原植物生长发育的限制性资源, 而草原生态系统是陆地生态系统中对降水格局变化非常敏感的系统。但是, 关于极端降水事件和极端干旱事件对草原生态系统结构和功能的影响还是以分散的个案研究为主, 甚至关于极端气候事件的定义迄今也不尽相同。为此, 该文在分析极端气候事件定义及其研究方法的基础上, 总结了极端降水事件和极端干旱事件对草原生态系统土壤水分和养分状况、植物生长发育和生理特性、群落结构、生产力和碳循环过程的影响, 并提出了未来极端气候事件研究中应重点关注的5个重要方向, 以及控制试验研究的2个关键科学问题, 对开展全球变化背景下草原生态系统对极端气候事件响应机制的研究具有指导意义。     

高等植物碳循环基因工程研究进展

高等植物根据其CO2同化方式的不同, 可分为C3植物、C4植物和CAM植物。由于C4植物特殊的光合作用方式, 其光合能力明显高于C3植物。然而, 大多数农作物都是C3植物。为了改善C3植物的光合能力, 人们试图通过转基因的方法来改造C3作物, 以提高主要农作物如水稻(Oryz a sativa)、小麦(Tri ticum aestivum)和大豆(Glycine max)等的光合生产力, 并在这些方面做了很多有益的尝试。该文主要综述了通过转基因方法改善碳循环能力的一些进展, 并对一些尚需深入研究的问题进行了探讨。     

基于模型数据融合的中国温带和亚热带典型森林生态系统碳通量模拟

生态系统碳循环过程对水分响应的研究已成为全球变化关注的焦点问题之一。基于长白山温带针阔混交林与千烟洲亚热带人工针叶林观测站2003—2009年生长季的碳通量(NEE)和气象观测数据,综合考虑水分对光合、呼吸作用的影响,构建不同的NEE模型,并应用模型数据融合方法优化模型参数、遴选最适模型,系统分析了水分因子对不同森林生态系统碳循环的影响。结果表明:(1)优化后的模型参数均能被NEE实测数据较好约束。长白山生长季的光合、呼吸参数值均高于千烟洲,未考虑空气饱和水汽压差(VPD)的模型高估了千烟洲温度敏感性参数(Q10)值、低估了千烟洲基础呼吸速率参数(BR)值;(2)仅考虑VPD对光合作用影响的模型是长白山生长季碳通量模拟的最优模型,但模拟精度提高不显著。不同模型间碳通量组分模拟结果差异较小;(3)考虑VPD和土壤含水量对光合、呼吸作用共同影响的模型是千烟洲生长季碳通量模拟的最优模型,并且显著提高了模拟精度。未考虑水分的模型在生长季高估了总生态系统生产力(GEP)总量2.0%(21.85 g C/m~2),同时更大幅度地高估了生态系统呼吸(RE)总量4.4%(38.02 g C/m~2),从而导致NEE总量低估于实测值7.8%(18.55 g C/m~2)。     

外源碳输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响及其微生物学驱动机制

外源碳输入对土壤碳源可利用性的改变不仅直接影响着微生物参与陆地生态系统的碳循环过程,而且也制约着微生物对其它营养元素的需求。在大气氮沉降持续增加的全球变化背景下,部分地区已出现生态系统氮养分条件的显著变化甚至土壤中活性氮素的过量积累,进而带来微生物对碳源需求的增加。通过人为调控碳源的可利用性,改善微生物的碳限制状况,将对科学的增加陆地生态系统固碳能力具有极为重大的意义。综述了国内外有关外源碳输入对土壤碳排放、凋落物分解以及土壤碳库影响及其主要的微生物作用机制的相关研究结果,以期能够为未来氮沉降持续增加情景下,如何科学有效地提高生态系统的碳汇潜力提供一定的参考。