土壤呼吸对降雨变化和氮沉降交互作用响应的研究进展

土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的关键过程,对大气CO₂浓度变化有直接影响。研究其如何响应降雨变化、氮沉降增加等全球变化因子,成为近年全球变化领域的热点与难点。与土壤呼吸响应降雨变化或氮沉降增加单个因子相比,研究土壤呼吸对这两个因子交互作用的响应更接近真实的自然环境,可更准确地预估未来土壤碳排放的变化趋势。目前,相关研究涉及全球不同的陆地生态系统,从土壤、微生物和植物层面对其响应机理进行揭示。本文从土壤呼吸及其组分、相关的土壤性质、微生物及植物因素方面,较全面地梳理了不同陆地生态系统土壤呼吸响应降雨变化和氮沉降增加交互作用的研究进展,指出了现有研究中的不足及今后需加强的研究方向,以期为进一步揭示土壤呼吸对降雨变化和氮沉降增加交互作用的响应规律及机制提供参考。     

土壤微生物群落对全球气候变化响应的研究进展

全球气候变化对陆地生态系统过程和功能产生重要影响,土壤微生物群落在陆地生态系统几乎所有的生物地球化学循环过程起到关键作用。本文针对气候变化对土壤微生物的影响研究结果,主要从土壤微生物活性(土壤呼吸与酶活性)和微生物群落结构对大气CO₂升高、增温、降水变化、氮沉降等全球变化单因子和多因子的直接或间接响应进行综述,并进一步阐述参与土壤碳氮循环过程的功能微生物对气候变化的响应机制与适应规律。全球变化因子改变了土壤微生物的群落组成,呈现降低、增加和无影响3种效应,且不同功能微生物也呈现不同的敏感性。多个全球变化因子对土壤微生物群落结构的交互效应可能存在加性、协同、拮抗作用,产生加和的、相互促进或抵消的整体效果。然而,目前对多种全球变化因子如三因子或四因子的组合作用,以及多因子的高阶交互作用研究较少;已有的研究地理分布不均匀,且时间和空间大尺度的研究不足;缺乏综合生态系统模型对全球变化的影响进行模拟和预测。最后指出今后的研究发展方向：进行多种全球变化因子、长时间、多生态系统点位、大空间尺度的土壤微生物群落动态研究;探究多种全球变化因子的高阶交互作用;建立综合响应的生态系统模...     

干湿交替下草地生态系统土壤呼吸变化的微生物响应机制研究进展

草地是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一,对全球碳循环和气候调节有着重要的作用和效应.我国拥有极为丰富的草地资源,是巨大的陆地碳储存库,也是全球碳循环重要组成部分.干湿交替是土壤中普遍发生的自然现象,这种现象的发生可能会加速土壤的碳矿化过程、激增土壤呼吸以及影响微生物的活性和群落结构等.在全球变化日趋显著的背景下,降雨量、降雨强度以及降雨频率的变化将会加速土壤干湿交替进程,进而带来微生物活性、群落结构以及土壤呼吸的变化,并对全球碳循环过程产生重要影响.本文综述了近十年来国内外的相关文献,对干湿交替条件下,土壤释放CO₂消耗碳源、土壤呼吸随时间的动态变化趋势以及土壤呼吸与微生物量、微生物活性和微生物群落结构之间的关系进行了分析和总结,以期为更好地理解干湿交替过程中草地生态系统土壤呼吸的微生物学响应机制,更准确地预测和评估未来的全球陆地生态系统的碳收支与气候变化提供一定的理论基础.     

水分条件变化对土壤微生物的影响及其响应机制研究进展

土壤微生物在维持陆地生态系统服务中扮演着重要的角色.土壤水分条件是影响微生物活性与生态系统功能的重要因素之一,全球气候变化所引起的极端干旱与降雨必将加速土壤水分的剧烈变化.由于不同土壤微生物对干旱胁迫的耐受性不同及其对水分变化的响应差异,使得土壤水分条件变化直接改变了土壤微生物活性与群落结构,进而对微生物介导的关键过程与土壤生态系统功能造成深刻的影响.因此,全面深入地理解水分条件变化下土壤微生物群落的结构变化特征与响应机制具有重要意义.本文在总结土壤水分条件变化对土壤微生物活性(土壤呼吸与酶活性)和微生物群落结构的影响的基础上,进一步阐述了土壤微生物对干旱胁迫与水分条件变化的响应机制和生态学策略,包括: 1)积累胞内溶质、产生胞外聚合物、进入休眠状态等应对干旱胁迫的细胞生理策略;2)微生物之间、微生物与植物之间相关抗逆性基因的转移及土壤微生物群落的功能冗余等应对水分变化的微生物机制.研究水分条件变化下土壤微生物群落结构及生态系统功能之间的内在联系,不仅有助于进一步剖析微生物介导的土壤生态过程,而且能够为今后陆地生态系统对气候变化的响应研究和模型预测提供理论依据.     

草地生态系统土壤呼吸对放牧干扰的响应研究进展

草地占地球陆地总表面积的40%, 是陆地生态系统的主体类型之一。草地生态系统碳贮量大, 土壤呼吸又是陆地生态系统将碳释放到大气的重要环节, 这类生态系统土壤呼吸对全球碳循环的贡献不可忽视。研究草地生态系统环境变化和人类活动干扰对土壤呼吸的影响对于估算未来碳循环前景和气候变化具有重要意义。放牧是人类对草地生态系统最重要的利用和干扰方式, 在全球变化背景下, 近年来草地生态系统土壤呼吸对放牧干扰的响应成为碳循环研究中的一项重要内容。现有研究结果显示, 土壤呼吸对放牧干扰的响应具有一定的不确定性, 其原因同这一过程所涉及的复杂机制有关。这些机制包括: 放牧改变了植物凋落物的产量和质量、植物同化产物的分配和根系生物量、微生物生物量和多样性、与呼吸有关的酶的活性、土壤养分状况、土壤温度和水分状况等。对于土壤呼吸及其组分而言, 上述机制有的具有促进作用, 有的具有抑制作用, 且在不同时间和地点起主导作用的机制各不相同, 从而在放牧干扰的作用下, 土壤呼吸会呈现出升高、降低或无反应等多种结果。由于根据现有这些不一致的结果, 无法精确估算人类的放牧干扰活动对全球碳循环的影响, 因此, 今后要从土壤呼吸各个组分的区分入手, 量化解析放牧干扰对土壤呼吸影响的机制过程及构建机理模型等方面加强该领域的研究。     

土壤呼吸对温度升高的适应

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一 ,其对温度升高的敏感程度在相当大的程度上决定着全球气候变化与碳循环之间的反馈关系。土壤呼吸对温度升高的适应是个比较普遍的现象 ,其表现形式主要为随着温度的持续升高和升温时间的延长 ,土壤呼吸对温度升高反应的敏感程度下降。产生这一现象的机制包括影响因子主导地位的转移和温度以外其他因子的协同变化。土壤呼吸对温度升高的适应可以视为碳循环对全球变暖的负反馈效应 ,它可能会在一定程度上缓和陆地生态系统对全球气候系统之间的耦合作用 ,并且导致土壤呼吸对全球温度升高响应的时空差异。由于目前生态系统模型多数没有考虑土壤呼吸的对温度升高的适应性 ,而采用统一的 Q1 0 值 ,其对未来土壤呼吸和未来气候变化幅度的预测可能存在偏差     

水分对土壤呼吸的影响及机理

土壤呼吸是陆地碳循环的重要环节,在全球变化的背景下,研究水分对土壤呼吸的影响,能为探索陆地生态系统在碳循环方面的源—汇功能和揭示碳的失汇之迷提供有力的证据。综述了水分对土壤呼吸的影响及其机理。土壤呼吸是一个复杂的生态学过程,大气降水对土壤呼吸的影响结果是因时、因地而异,在湿润的生态系统或者干湿交替的生态系统中比较湿润的季节．降水事件对土壤呼吸可能会产生比较明显的抑制现象;而在干旱的生态系统或有干湿交替季节的生态系统中比较干旱的季节里,降水事件可能会强烈地激发土壤呼吸。其对土壤呼吸的影响机理包括水分对土壤孔隙中CO2替代、对CO2扩散的阻滞、对微生物活动的刺激和对微生物生物量的影响等。由于实验方法和标准的不一致以及影响土壤呼吸的因素的多样性。水分量的变化对土壤呼吸的影响很难以一个统一的方程来描述,总的来说,最优的水分状况通常是接近最大田间持水力,当土壤处于过于或过湿状态时,土壤呼吸会受到抑制。水分量的变化对土壤呼吸的影响机制在于可溶性有机质、土壤的通透性、微生物与植物根系生命活动等都随土壤水分状况不同而发生相应的改变。关于水分与土壤呼吸的关系研究今后应该主要集中在：(1)水分对根系呼吸和土壤微生物呼吸分别产生的影响;(2)全球变化后水分格局的变化对全球陆地生态系统土壤呼吸格局的潜在影响;(3)人类活动通过直接或间接改变水分状况而对土壤释放CO2的贡献率。     

土壤呼吸组分对气候变暖的响应研究进展

气候变暖正在深刻地改变全球碳循环过程.土壤呼吸作为全球碳循环的重要环节,连接着植物-土壤-微生物之间的碳转移过程.土壤呼吸可分为异养呼吸和根源呼吸(根系呼吸和根际微生物呼吸)等组分.土壤呼吸各组分的发生部位与利用的有机碳源不同,其对气候变暖的响应可能存在显著差异.然而,目前的研究还不能完全实现土壤呼吸各组分的精确区分和量化,气候变暖对土壤呼吸各组分的影响及其具体机制仍存在很多悬而未决的问题,这极大地限制了人们对土壤碳循环评估的精确性以及对气候变暖背景下陆地生态系统碳收支格局变化的认识.本文系统综述了目前国内外土壤呼吸组分区分技术,分析了土壤呼吸组分区分的研究结果,并论述了土壤呼吸各组分对气候变暖的响应研究进展.提出仍需发展新的土壤呼吸组分区分技术或者改进和创新现有技术,未来的研究重点应放在精确区分野外条件下根源呼吸组分,同时开展土壤呼吸组分对多种环境因子变化的响应研究,以期更全面地认识土壤碳循环过程以及全球变化背景下陆地生态系统碳收支的变化趋势.     

滨海湿地生态系统土壤微生物及其影响因素研究综述

土壤微生物是滨海湿地生态系统中不可或缺的关键组分,在土壤发育、物质循环和污染物净化等诸多土壤生态过程中发挥着重要作用,对滨海湿地生态系统的维持与健康具有重大影响。系统梳理了滨海湿地土壤微生物群落结构特征和多样性,综述了土壤理化性质、植被状况、水文因素、生物入侵、全球变化、湿地开垦、石油污染等因素对滨海湿地土壤微生物的影响。在此基础上,对今后的研究重点提出了4个方面的展望:(1)加强全球变化多因子交互作用下滨海湿地土壤微生物的响应机制;(2)强化滨海湿地土壤微生物与环境因子的互作机理;(3)深化滨海湿地水动力条件对土壤微生物的影响机制;(4)开展土壤微生物与滨海湿地生态系统物质循环综合研究。研究以期为滨海湿地生态系统的保护和修复提供参考。     

微生物性状揭示物种分布格局、群落构建机制和生态系统功能

微生物性状是指与其存活、生长和繁殖紧密相关的一系列核心属性,这些属性能够反映微生物对环境变化的响应,进而影响微生物的物种分布格局、群落构建机制以及相应的生态系统功能。越来越多的研究表明,相比于微生物分类学信息,微生物性状可以在种群、群落和生态系统尺度等视角扩展我们对微生物生态过程的理解,并提供生态模式的机理性解释。本文回顾微生物性状研究的发展历程,总结近年来基于微生物性状研究的前沿科学问题,比如微生物性状的分类和测定方法、基于性状的功能多样性定义及应用、性状与物种分布格局和群落构建机制的关系、性状对生物多样性和生态系统功能的影响以及对环境变化的响应等。尽管微生物性状研究已经延伸到生态学领域的各个方面,有力推动着各个前沿科学问题的研究发展,但是仍然面临很多机遇与挑战。因此,本文也从研究方法和研究方向等方面对未来基于微生物性状的研究提出了展望。     

Thermal adaptation of soil microbial respiration to elevated temperature

In the short‐term heterotrophic soil respiration is strongly and positively related to temperature. In the long‐term, its response to temperature is uncertain. One reason for this is because in field experiments increases in respiration due to warming are relatively short‐lived. The explanations proposed for this ephemeral response include depletion of fast‐cycling, soil carbon pools and thermal adaptation of microbial respiration. Using a > 15 year soil warming experiment in a mid‐latitude forest, we show that the apparent ‘acclimation’ of soil respiration at the ecosystem scale results from combined effects of reductions in soil carbon pools and microbial biomass, and thermal adaptation of microbial respiration. Mass‐specific respiration rates were lower when seasonal temperatures were higher, suggesting that rate reductions under experimental warming likely occurred through temperature‐induced changes in the microbial community. Our results imply that stimulatory effects of global temperature rise on soil respiration rates may be lower than currently predicted.     

土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。     

Soil microbial responses to experimental warming and clipping in a tallgrass prairie

Global surface temperature is predicted to increase by 1.4–5.8°C by the end of this century. However, the impacts of this projected warming on soil C balance and the C budget of terrestrial ecosystems are not clear. One major source of uncertainty stems from warming effects on soil microbes, which exert a dominant influence on the net C balance of terrestrial ecosystems by controlling organic matter decomposition and plant nutrient availability. We, therefore, conducted an experiment in a tallgrass prairie ecosystem at the Great Plain Apiaries (near Norman, OK) to study soil microbial responses to temperature elevation of about 2°C through artificial heating in clipped and unclipped field plots. While warming did not induce significant changes in net N mineralization, soil microbial biomass and respiration rate, it tended to reduce extractable inorganic N during the second and third warming years, likely through increasing plant uptake. In addition, microbial substrate utilization patterns and the profiles of microbial phospholipid fatty acids (PLFAs) showed that warming caused a shift in the soil microbial community structure in unclipped subplots, leading to the relative dominance of fungi as evidenced by the increased ratio of fungal to bacterial PLFAs. However, no warming effect on soil microbial community structure was found in clipped subplots where a similar scale of temperature increase occurred. Clipping also significantly reduced soil microbial biomass and respiration rate in both warmed and unwarmed plots. These results indicated that warming‐led enhancement of plant growth rather than the temperature increase itself may primarily regulate soil microbial response. Our observations show that warming may increase the relative contribution of fungi to the soil microbial community, suggesting that shifts in the microbial community structure may constitute a major mechanism underlying warming acclimatization of soil respiration.     

Thermal adaptation of microbial respiration persists throughout long-term soil carbon decomposition

Soil microbial respiration is expected to show adaptations to changing temperatures, greatly weakening the magnitude of feedback over time, as shown in labile carbon substrates. However, whether such thermal adaptation persists during long-term soil carbon decomposition as carbon substrates decrease in decomposability remains unknown. Here, we conducted a 6-year incubation experiment in natural and arable soils with distinct properties under three temperatures (10, 20 and 30°C). Mass-specific microbial respiration was consistently lower under higher long-term incubation temperatures, suggesting the occurrence and persistence of microbial thermal adaptation in long-term soil carbon decomposition. Furthermore, changes in microbial community composition and function largely explained the persistence of microbial respiratory thermal adaptation. If such thermal adaptation generally occurs in large low-decomposability carbon pools, warming-induced soil carbon losses may be lower than previously predicted and thus may not contribute as much as expected to greenhouse warming.     

温带草原11个植物群落夏秋土壤呼吸对气温变化的响应

 在夏秋季节,采用碱液吸收法对锡林郭勒草原11个群落的土壤呼吸进行了测定,比较和分析了各群落土壤呼吸的季节动态、平均呼吸速率、土壤呼吸对气温变化的响应。结果表明：1）各群落土壤呼吸有明显的季节变化,其动态与气温大体一致,但不完全同步; 2）生长季各群落平均呼吸速率介于565.07～1 349.56 mg C·m-2·d-1之间,总体差异极显著,各群落平均呼吸速率与平均气温无显著相关关系;3）指数模型能较好地表示土壤呼吸对温度变化的响应,温度能在一定程度上解释土壤呼吸的季节变化,但温度较低时模型的拟合好于温度较高时;4）各群落的Q10值介于1.47～1.84之间,与各群落的平均气温亦无显著相关关系,小麦群落的Q10高于所有草地群落,说明土地利用方式对土壤呼吸的温度敏感性有影响。     

陆地生态系统过程对气候变暖的响应与适应

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

陆地生态系统凋落物分解对全球气候变暖的响应

陆地生态系统凋落物分解是全球碳收支的一个重要组成部分, 主要受气候、凋落物质量和土壤生物群落的综合控制。科学家们普遍认为全球气候变化将对陆地生态系统凋落物分解产生复杂而深远的影响。该文结合凋落物分解试验的常用方法——缩微试验、原位模拟实验和自然环境梯度实验, 归纳现有研究结果, 意在揭示全球气候变化对陆地生态系统凋落物分解的直接影响(温度对凋落物分解速率的影响)和间接影响(温度对凋落物质量、土壤微生物群落及植被型的影响)的普遍规律。各种研究方法都表明: 在水分条件理想的情况下, 温度升高往往能加快凋落物的分解速率; 原位模拟实验中, 凋落物分解速率因物种、增温方法和地理方位而异; 全球气候变化能改变凋落物质量, 但可能不会在短期内影响凋落物的分解速率; 凋落物质量和可分解性的种间差异远大于增温所引发的表型响应差异, 那么, 气候变化所引发的植物群落结构和物种组成的变化将对陆地生态系统凋落物分解产生更强烈的影响; 土壤生物群落如何响应全球气候变化, 进而怎样影响凋落物分解过程, 这些都还存在着极大的不确定性。