稻田与旱地土壤自养微生物同化碳在土壤中的矿化与转化特征

选择亚热带地区3种典型稻田和旱地土壤,应用碳同位素^14C-CO₂标记示踪技术结合室内模拟培养试验,研究自养微生物同化碳(“新碳”)在土壤碳库中的矿化和转化特征.结果表明: 在100 d的培养期内,“新碳”的矿化经历了先上升、10 d后缓慢下降、最后渐趋稳定的3个阶段.“新碳”的矿化比例为8.0%～26.9%,矿化速率为0.01～0.22 μg ¹⁴C·g^-1·d^-1,其中,稻田土壤为0.01～0.22 μg ¹⁴C·g^-1·d^-1,旱地土壤为0.01～0.08 μg ¹⁴C·g^-1·d^-1,而原有有机碳的矿化比例为1.6%～5.7%,矿化速率为1.3～25.66 μg C·g^-1·d^-1.土壤活性碳库\[可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)\]中,¹⁴C-DOC在培养初期(0～10 d)先上升,升高幅度达0.3 mg·kg^-1,10～30 d又迅速下降,下降幅度达0.42 mg·kg^-1,至30 d后缓慢下降.¹⁴C-MBC的波动与¹⁴C-DOC不同,在培养初期(0～10 d)先迅速下降,10～30 d又迅速上升,至40 d后缓慢下降并趋于稳定.水稻土¹⁴C-DOC/DOC的转化更新速率明显大于旱地,而旱地¹⁴C-MBC/MBC的转化更新速率大于水稻土.
     

凋落物中水溶性有机物和残渣对亚热带森林土壤氮素转化的影响

设置60%和90%WHC两种土壤水分条件,并添加凋落物过滤液、剩余残渣和丙氨酸,进行为期36 d的室内培养(25 ℃),研究了凋落物中水溶性有机物和残渣对土壤氮素转化的影响.结果表明: 在60%和90%WHC条件下,丙氨酸在土壤中迅速矿化,该处理的土壤铵态氮(NH₄⁺-N)含量分别比对照显著提高5.4%～44.7%和16.1%～41.3%,净氮矿化和氨化速率在培养前期也高于对照,而凋落物过滤液和残渣添加处理则降低了土壤NH₄⁺-N含量,且残渣的降幅大于过滤液.试验期间,土壤硝态氮(NO₃^--N)含量呈直线增长趋势,培养结束时60%WHC条件下NO₃^--N含量显著高于90%WHC.土壤水分含量增多不利于土壤有机质的矿化;90%WHC条件下可溶性有机碳(SOC)含量明显低于60%WHC,而土壤氧化亚氮(N₂O)排放量比60%WHC提高1.5～63.0倍,且在60%WHC条件下凋落物残渣添加处理显著促进了土壤N₂O的排放.凋落物在分解过程中的可溶性物质和剩余物对土壤氮的影响存在差异,且这种差异随分解而发生动态变化.     

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.     

培养条件下旱地和稻田土壤活性有机碳对外源有机底物的响应

土壤微生物生物量碳（MBC）和溶解有机碳（DOC）是土壤有机碳的活性组分,能够较快反映土壤环境变化。以¹⁴C标记葡萄糖和稻草为底物,室内培养法研究了相同含水量（45% WHC）条件下,红壤旱地和稻田土壤活性有机碳对外源有机底物的响应。结果表明,土壤微生物能迅速吸收利用葡萄糖和稻草中的DOC组分,而使土壤MBC含量在短时间（前5 d）内出现最大值。添加葡萄糖和稻草处理,旱地土壤MBC峰值分别高于对照69.4%和55.1%,稻田土壤高于对照10.2%和10.5%。整个培养期（100 d）内,添加葡萄糖和稻草处理旱地土壤MBC的平均含量分别高于对照82.1%和41.5%（P<0.05）;而稻田土壤MBC在培养前期（0～60 d）,分别高于对照8.8%和5.1%（P<0.05）,60 d后与对照差异不显著。葡萄糖和稻草的添加对旱地土壤总DOC含量没有显著影响（0～2 d除外）,但可明显提高稻田土壤总DOC含量（增幅为12.8%～26.0%）。100 d内,2个土壤中¹⁴C标记MBC（¹⁴C-MBC）占总量的比例为4.5%～47.4%,¹⁴C标记DOC（¹⁴C-DOC）为4.0%～12.7%。说明在土壤含水量为45%WHC条件下,有机底物的添加对旱地土壤MBC的影响大于稻田土壤,但对DOC的影响则反之。同位素示踪表明,土壤有机质本身是DOC和MBC的主要来源。     

长期垄作稻田腐殖质稳定碳同位素丰度(δ13C)分布特征

研究了四川盆地丘陵区连续16年垄（宽垄）作稻田土壤稳定碳库腐殖质组分的稳定碳同位素(δ¹³C)分布特征.结果表明： 稻田土壤有机碳含量为宽垄作＞垄作＞水旱轮作.腐殖质碳以胡敏素为主,占土壤碳含量的21%～30%,提取碳以胡敏酸为主,分别占土壤有机碳和腐殖质的17%～21%和38%～65%.土壤有机碳的δ¹³C值介于-27.9‰～-25.6‰,20～40 cm和0～5 cm土壤有机碳δ¹³C值之差约为1.9‰.土壤胡敏酸δ¹³C值比土壤有机碳低1‰～2‰,更接近于油菜和水稻秸秆及根系的δ¹³C值.土壤富里酸δ¹³C值分别较土壤有机碳和胡敏酸高2‰和4‰.耕作层和犁底层胡敏素δ¹³C值分别介于-23.7‰～-24.9‰和-22.6‰～-24.2‰,δ¹³C值的变化反映了耕层中腐殖质的新老混合现象.各有机组分δ¹³C值递减顺序为：胡敏素＞富里酸＞土壤有机碳＞稻草（油菜）残体＞胡敏酸.长期水稻种植有利于增加土壤有机碳含量,同时,耕作方式影响土壤腐殖质δ¹³C在耕作层和犁底层中的分布格局.     

水分状况与不同形态氮添加对亚热带森林土壤氮素净转化速率及N2O排放的影响

通过室内模拟试验,研究40%、70%和110%土壤饱和持水量(WHC)下,不同形态氮(硝态氮和铵态氮)添加对亚热带森林红壤氮素转化的影响.结果表明:70%WHC下土壤净矿化和氨化速率最高,40%WHC下最低;与对照相比,70%WHC下添加硝态氮使土壤净矿化和氨化速率分别降低56.1%和43.0%,110%WHC下分别降低68.2%和19.0%,但提高了氨化速率占矿化速率的比例,表明添加硝态氮抑制了硝化.110%WHC下,添加硝态氮后,土壤净硝化速率最低,但氧化亚氮(N2O)浓度最高,最大值出现在第3~7天,表明N2O产生自反硝化途径,硝态氮也在同时段降低;而40%WHC和70%WHC下,N2O浓度在培养初期最大,即使在铵态氮和硝态氮添加处理下,试验后期N2O浓度也没有显著变化,表明自氧硝化是试验前期N2O产生的主要途径.40%WHC下,土壤可溶性有机碳含量增加最多,且在铵态氮添加处理下增加最多,可见添加铵态氮促进土壤有机质矿化,增加可溶性有机碳,但是土壤水分含量增多不利于有机质矿化.在40%WHC和110%WHC下,铵态氮添加处理土壤可溶性有机氮(SON)变化速率分别显著高于对照73.6%和176.6%,而在硝态氮添加处理下,只有40%WHC下显著高于对照78.7%,表明高水分条件和添加铵态氮有利于SON的形成.     

鬼箭锦鸡儿叶片和土壤碳稳定同位素特征及其影响因素

为探究高海拔地区的植物碳(C)循环过程与其生境的关系,以生长在高山地区的豆科灌木鬼箭锦鸡儿为研究对象,沿着横跨我国东西部山区的样带采集35个样点的鬼箭锦鸡儿叶片和土壤样品,分析了鬼箭锦鸡儿叶片碳稳定同位素组成(δ¹³C)、土壤δ¹³C、叶片和土壤δ¹³C差值(Δδ¹³C)在不同采样点的特征及其与气候因子、叶片和土壤元素的关系。结果表明:鬼箭锦鸡儿叶片δ¹³C的变化范围为-30.9‰～-27.1‰,平均值为-28.4‰,土壤δ¹³C的变化范围为-26.2‰～-23.2‰,平均值为-25.3‰,Δδ¹³C的变化范围为2.0‰～7.7‰,平均值为3.1‰;叶片δ¹³C显著低于土壤δ¹³C,且随着叶片δ¹³C增加,土壤δ¹³C先降低后升高;叶片δ¹³C与生长季均温和叶片C含量呈显著负相关,土壤δ¹³C与相对湿度和最暖月均温呈显著负相关,与土壤碳∶氮(C∶N)呈显著正相关,随土壤C含量的增加土壤δ¹³C先降低后升高,Δδ¹³C与叶片C含量、土壤C含量和土壤C∶N呈显著正相关;气候因子对叶片δ¹³C和Δδ¹³C具有直接影响,同时也通过对叶片和土壤元素的影响,间接导致叶片δ¹³C、土壤δ¹³C和Δδ¹³C的改变。高海拔地区的气候因子、叶片和土壤元素共同影响鬼箭锦鸡儿的C循环过程。     

闽江河口互花米草不同入侵年限湿地土壤磷赋存形态

选择闽江河口鳝鱼滩互花米草不同入侵年限湿地(SA₁,5～6年;SA₂,8～10年;SA₃,12～14年)为对象,基于时空互代法研究了互花米草入侵对湿地土壤磷赋存形态的影响。结果表明: 不同入侵年限互花米草湿地土壤中难分解态磷(HCl-Pi、Residual-P)含量的占比最高(46.4%～46.7%),中等易分解态磷(NaOH-Pi、NaOH-Po、Sonic-Pi)次之(40.0%～44.0%),而易分解态磷(Resin-Pi、NaHCO₃-Pi、NaHCO₃-Po)最低(9.5%～13.3%)。随着互花米草入侵年限的增加,湿地土壤磷赋存形态及其空间分布特征也发生明显改变,中等易分解态磷、难分解态磷和总磷含量整体上均呈增加趋势,而易分解态磷含量呈降低趋势。相对于SA₁,SA₂的中等易分解态磷、难分解态磷和总磷含量分别增加了11.5%、9.7%和10.5%,而SA₃分别增加了24.8%、13.2%和13.5%。互花米草入侵年限的增加显著改变了湿地土壤磷的赋存形态特征,这主要取决于电导率(EC)、pH值及粒度等关键因子的变化。近年来,闽江河口开展的互花米草定期刈割治理在一定程度上减少了残体向土壤归还磷养分的能力,降低了土壤中易分解态磷的养分供应。     

CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸对土壤呼吸的贡献

依托FACE技术平台, 采用稳定¹³C同位素技术, 通过将小麦(C₃作物)种植于长期单作玉米(C₄作物)的土壤上, 研究了大气CO₂浓度升高和不同氮肥水平对土壤排放CO₂的δ¹³C值及根际呼吸的影响. 结果表明: 种植小麦后土壤排放CO₂的δ¹³C值随作物生长逐渐降低, CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1显著降低了孕穗、抽穗期(施氮量为250 kg·hm^-2, HN)与拔节、孕穗期(施氮量为150 kg·hm^-2, LN)土壤排放CO₂的δ¹³C值, 显著提高了孕穗、抽穗期的根际呼吸比例. 拔节至成熟期, 根际呼吸占土壤呼吸的比例在高CO₂浓度下为24%～48%(HN)和21%～48%(LN), 在正常CO₂浓度下为20%～36% (HN)和19%～32%(LN). 不同CO₂浓度下土壤排放CO₂的δ¹³C值和根际呼吸对氮肥增加的响应不同, CO₂浓度与氮肥用量在拔节期对根际呼吸的交互效应显著.     

14C-菲在营养液-火山石-小麦有控系统中的迁移和转化

利用放射性同位素示踪技术研究了¹⁴C标记菲在有控系统中的迁移转化。结果表明,¹⁴C-菲在有控系统中降解较快,施入药品24d后仅有0.32%的¹⁴C-菲存留在植物、营养液和火山石中。植物吸收的¹⁴C放射性大部分被结合到植物组织中,其它¹⁴C主要以菲的极性代谢物形态存在。     

外源输入碳在生物结皮土壤各碳组分中的分配特征

研究外源新输入碳进入生物结皮后在各碳组分间的分配特征,可以为理解生物结皮参与碳地球化学循环过程提供数据支持和理论依据。本研究针对黄土高原典型苔藓生物结皮,借助¹³C脉冲标记技术,精确示踪外源新输入碳在生物结皮碳组分中的分配特征及其与无结皮裸地的差异,揭示生物结皮对碳循环的影响。结果表明: 1)由于生物结皮养分循环速率较慢,且与维管束植物相比,其主要生物成分苔藓的生物量有限,导致生物结皮各碳组分的¹³C丰度值均随时间变化表现相对平稳。2)生物结皮的各碳组分¹³C含量均明显高于无结皮裸地,其有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳中¹³C含量平均分别为0.258、0.078、0.004 mg·kg^-1,分别比裸地高3.1、18.5、2.6倍,且苔藓植株¹³C含量高达1.45 mg·kg^-1。3)生物结皮改变了有机碳各组分的分配特征,其新同化的碳主要分配于活性有机碳库和结皮生物中,表现为¹³C在微生物生物量碳中的分配率(30.6%)高于可溶性有机碳(1.7%),而苔藓植株的¹³C分配率为20.3%。4)生物结皮中微生物生物量¹³C的转移量和库容量分别是裸地的15.7和19.5倍,但其周转率(每月2.94次)略低于裸地(每月3.30次),相应周转期是裸地的1.1倍。综上,生物结皮改变了土壤有机碳组分的分配特征,提升了碳周转速率,在干旱荒漠生态系统碳循环中的作用不容忽视。     

两种农田土壤不同组分呼吸及其温度敏感性

为探讨农田土壤不同组分呼吸及其对温度变化的响应,选取山东平邑旱耕土和湖南桃江水稻土为供试土壤,设置4个温度水平(5、15、25、35 ℃),对两种土壤的轻组、重组及全土进行63 d的培养试验.结果表明: 两种土壤全土的呼吸均高于轻组和重组.旱耕土重组的呼吸高于轻组,水稻土重组和轻组的呼吸在5～25 ℃温度水平下无显著差异,但35 ℃下重组高于轻组.在不同温度水平下,旱耕土轻组、重组和全土累积呼吸量分别占其初始碳的0.3%～2.8%、0.4%～3.7%和0.6%～7.0%,水稻土分别占其初始碳的0.4%～3.0%、0.3%～3.8%和0.7%～5.3%.两种土壤全土及轻、重组呼吸的温度敏感性(Q₁₀)均随温度升高和培养时间延长而降低;水稻土重组的Q₁₀高于轻组,旱耕土重组和轻组Q₁₀的差异无明显规律.在5～25 ℃温度水平下,旱耕土全土Q₁₀显著高于水稻土,但在25～35 ℃下低于水稻土.说明平邑旱耕土有机碳矿化强度高于桃江水稻土,且对温度变化的响应总体比水稻土更敏感.     

水分对林地和草地土壤氮初级转化速率的影响

水分含量是与土壤氮转化相关微生物活性的重要影响因素。本研究以黑龙江省北安市的草地和林地土壤为对象,通过室内培养试验,利用¹⁵N同位素标记技术和FLUAZ数值优化模型研究60%和100%田间持水量(WHC)条件下土壤氮初级矿化速率、初级固定速率、初级硝化速率和初级反硝化速率,以探讨土壤氮初级转化速率对水分含量变化的响应,阐明不同水分条件下土壤中氮的产生、消耗、保存机制及其生态环境效应。结果表明: 土壤水分变化不影响草地和林地土壤氮初级矿化速率和铵态氮固定速率,水分含量由60% WHC增加至100% WHC后显著增加了林地土壤的初级硝化速率,但对草地土壤的初级硝化速率没有显著影响。60% WHC条件下草地和林地土壤的初级反硝化速率可以忽略不计,水分含量增加至100% WHC后土壤初级反硝化速率显著提高,且草地土壤的初级反硝化速率显著低于林地土壤。100% WHC条件下林地土壤初级硝化速率与铵态氮固定速率比值(gn/ia)和N₂O排放量均显著高于60% WHC;100% WHC条件下草地土壤的N₂O排放量显著高于60% WHC,但两个水分条件下的gn/ia值无显著差异。表明短期内水分含量的增加可能会增加草地和林地土壤氮转化的负面环境效应,且对林地土壤的影响尤为显著。     

14C-涕灭威在旱田土壤中的降解

研究了¹⁴C-涕灭威在5种土壤中(4ppm,1.22μCi·50g^-1 土壤干重)的生物降解。模拟试验为密闭系统,土壤中水分含量为22%,气温20-30℃在供试的5种土壤中,北京肖家河的土壤降解最快,为施人放射剂量的51.3%,以“¹⁴CO₂ 形式从土壤进出;26.0%与土壤结合,只有21.6%可以被抽出。取自浙江义乌的土壤降解较慢,收集到的¹⁴CO₂ 为施入量的23.3%.土壤中加入杀菌剂红霉素或敌茵丹降解作用明显减慢。土壤提取物中涕灭威亚砜、涕灭威亚砜肟被确认是主要的代谢产物,还发现了少量的涕灭威砜,涕灭威亚砜腈涕灭威砜腈和涕灭威砜肟等降解物。     

Monitoring Anaerobic Natural Attenuation of Petroleum Using a Novel In Situ Respiration Method in Low-Permeability Sediment

Assessing petroleum biodegradation rates is an important part of predicting natural attenuation in subsurface sediments. Monitoring carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄) produced in situ, and their radiocarbon ¹⁴C), stable carbon (¹³C) and deuterium (D). signature provide a novel method to assess anaerobic microbial processes. Our objectives were to: (1) estimate the rate of anaerobic petroleum hydrocarbon (PH) mineralization by monitoring the production of soil gas CH₄ and CO₂ in the vadose zone of low-permeability sediment, (2) evaluate the dominant microbial processes using δ¹³C and δD, and (3) determine the proportion of CH₄ and CO₂ attributable to anaerobic mineralization of PH using ¹⁴C analysis. Argon was sparged into the subsurface to dilute existing CO₂ and CH₄ concentrations. Vadose zone CO₂, CH₄, oxygen, total combustible hydrocarbons, and argon concentrations were measured for 75 days. CO₂ and CH₄ samples were collected on day 86 and analyzed for ¹⁴C, δ¹³C, and δD. Based on CH₄ soil gas production, the anaerobic biodegradation rate was estimated between 0.017 to 0.055 mg/kg soil-d. CH₄ ¹⁴C (2.6 pMC), δ¹³C (-45.64‰), and δD (-316‰) values indicated that fermentation of PH was the sale source of CH₄ in the vadose zone. CO₂ ¹⁴C (62 pMC) indicated that approximately 47% of the total CO₂ was from PH mineralization and 53% from plant root respiration. Although low-permeability sediment increases the difficulty of completely replacing in situ soil gas and assuring anaerobic conditions, this novel respiration method distinguished between anaerobic processes responsible for PH degradation.     

模拟增温对长白山北坡垂直样带森林土壤有机碳稳定碳同位素的影响

分析了长白山北坡垂直样带3种典型原始森林地表凋落物及不同粒径土壤组分中有机质的δ¹³C值,并将在岳桦林样地(EB,海拔1996 m)采集的20 cm土柱分别置换到云冷杉林(SF,海拔1350 m)和阔叶红松林(PB,海拔740 m),云冷杉林样地采集的土柱置换到阔叶红松林中,进行为期1年的野外模拟增温试验.结果表明：3种林型土壤的δ¹³C值均显著高于凋落物的δ¹³C值,凋落物和土壤有机质中的δ¹³C值由地表凋落物向土壤下层逐渐增加,而土壤粒径中有机质的δ¹³C值随粒径减小而增大.3种林型中,凋落物δ¹³C值变化趋势为云冷杉林(-28.3‰)>阔叶红松林(-29.0‰)>岳桦林(-29.6‰),而土壤有机质的δ¹³C值变化趋势为岳桦林(-25.5‰)>阔叶红松林(-25.8‰)>云冷杉林(-26.2‰).在土壤温度增加0.7 ℃～2.9 ℃条件下,土壤及其各粒级的δ¹³C值均呈下降趋势,而且<2 μm粘粒和2～63 μm粉粒δ¹³C值的降幅(0.48‰和0.47‰)高于>63 μm砂粒δ¹³C值的降幅(0.33‰).未来气候变暖可能对储藏在细小颗粒中年龄较长的有机碳带来较大的影响.     

基于13C、15N和C/N识别南岳小流域沉积有机质的来源

农业流域有机质流失造成水体富营养化和土地退化,不仅威胁水质和粮食安全,而且会导致温室气体排放等潜在环境问题。本研究用¹³C、¹⁵N和C/N作为指纹标志物,分析了南岳小流域出口沉积有机质的来源及其在林地、稻田和菜地等典型土地利用类型土壤的空间分布特征,并结合贝叶斯稳定同位素混合模型定量估算了各土地利用类型的贡献率。结果表明: δ¹³C具有显著的空间差异,沉积物有机质(-22.6‰±0.53‰)和林地土壤(-23.13‰±1.71‰)的δ¹³C显著高于稻田土壤(-25.24‰±1.4‰)。各土地利用类型土壤的δ¹⁵N差异不显著,沉积物的均值最大,为(4.37±0.83)‰,林地最小,为(2.38±1.97)‰;林地土壤的C/N均值最大,为16.66±7.18,稻田土壤的C/N均值最小,为11.95±0.92。贝叶斯稳定同位素混合模型结果显示,林地、稻田和菜地对流域出口沉积有机质的贡献率分别为19.6%、15.7%和64.7%;稻田和菜地作为农业用地的总贡献率为80.4%。说明农业用地土壤是南岳小流域沉积有机质的主要来源,可以通过优化农田管理措施有效控制流域养分流失。