植物群落向土壤有机碳输入及其对气候变暖的响应研究进展

植物群落作为陆地生态系统土壤有机碳的主要来源,可通过地表凋落物分解、细根周转和根系分泌物等方式将光合作用同化的碳输入到土壤中。全球气候变暖正深刻地影响植物群落的分布、结构与功能,改变森林地上和地下凋落物产量与分解速率和根系分泌过程,从而改变植物群落向土壤输入有机碳数量。本文综述了植物群落向土壤有机碳输入过程及其对气候变暖的响应研究进展。研究表明,气候变暖可通过影响植物群落生产直接影响凋落物产量和根系分泌过程,还可通过改变凋落物分解环境条件、凋落物基质质量和分解者群落结构与活性等非生物与生物因子而间接作用于凋落物向土壤有机碳输入过程。气候变暖还可通过影响植物根系性状、根系分泌物化学组成等间接影响植物根系向土壤输入的碳量,但其具体机制还需深入探讨。未来的研究应该关注气候变暖导致植物群落结构改变进而影响土壤有机碳输入的具体机制以及粗木质残体对土壤有机碳输入的贡献,同时还应注重植物凋落物与根系分泌过程的整合研究,以期更全面地认识气候变暖背景下植物群落对土壤碳库及碳循环过程的贡献。     

全球气候变暖对凋落物分解的影响

凋落物分解作为生态系统核心过程,参与生态系统碳的周转与循环,影响生态系统碳的收支平衡,调控生态系统对全球气候变暖的反馈结果。全球气候变暖通过环境因素、凋落物数量和质量以及分解者3个方面,直接或间接地作用于凋落物分解过程,并进一步影响土壤养分周转和碳库动态。气候变暖可通过升高温度和改变实际蒸散量等环境因素直接作用于凋落物分解。气候变暖可引起植物物种短期内碳、氮和木质素等化学性质的改变以及群落中物种组成的长期变化从而改变凋落物质量。在凋落物分解过程中,土壤分解者亚系统作为主要生命组分(土壤动物和微生物)彼此相互作用、相互协调共同参与调节凋落物的分解过程。凋落物分解可以通过改变土壤微生物量、微生物活动和群落结构来加快微生物养分的固定或矿化,以形成新的养分利用模式来改变土壤有机质从而对气候变化做出响应。未来凋落物分解的研究方向应基于大尺度跨区域分解实验和长期实验,关注多个因子交互影响下,分解过程中碳、氮养分释放、地上/地下凋落物分解生物学过程与联系、分解者亚系统营养级联效应等方面。     

陆地生态系统地下碳输入与输出过程研究进展

生态系统地下碳输入与输出过程是陆地生态系统碳分配和转化的核心,并直接影响着全球碳循环。陆地生态系统凋落物、根系周转、根系分泌物、土壤有机碳、土壤微生物和土壤呼吸是地下碳输入与输出过程中的重要组成部分。由于这些组分非常复杂且其研究技术和方法受到限制,目前人们对陆地生态系统地下碳输入与输出过程尚缺乏全面的认识,故在陆地生态系统碳循环研究中存在诸多的不确定性。该文概述了凋落物、根系周转、根系分泌物、土壤有机碳、土壤微生物和土壤呼吸的研究方法,以及它们对气候变化的响应,探讨了陆地生态系统地下碳输入与输出过程中的研究难点,并对未来需要深入探究的一些领域进行了展望。     

改变碳输入对沂蒙山区典型次生林土壤微生物碳源代谢功能的影响

凋落物和根系向土壤的碳输入是森林生态系统的关键过程,输入量及组分的变化直接影响森林土壤碳汇功能和生产力。在沂蒙山区栎类天然次生林中,开展添加/去除凋落物及去除根系的定位控制试验。于控制试验开展21个月后,采用Biolog Eco微平板培养法,研究凋落物和根系对土壤微生物碳源代谢功能的影响。结果表明,凋落物倍增处理增加了土壤微生物碳源代谢功能,增加了对糖类和胺类的代谢能力。去除凋落物处理、去除根系处理和无输入处理都降低了土壤微生物碳源代谢功能。去除凋落物处理降低土壤微生物碳源代谢功能的幅度大于去除根系处理,表明当前条件下凋落物对土壤微生物碳源代谢功能的影响大于根系,但如果抛除掉去除根系处理中残留根系的影响,凋落物和根系对土壤微生物碳源代谢功能的相对大小可能会发生变化。土壤有机碳含量、铵态氮含量显著影响微生物碳源代谢多样性（P<0.05）,并与碳源代谢功能正相关。凋落物倍增处理通过增加土壤铵态氮和有机碳含量,增加微生物碳源代谢功能,去除凋落物处理和无输入处理通过降低土壤铵态氮和有机碳含量,降低微生物碳源代谢功能。结果深化了碳输入途径（地上凋落物与地下根系）和数量（凋落物倍增、凋落物去除与对照）对温带栎类天然次生林土壤碳代谢过程的认识。     

冻融季温带森林土壤真菌群落结构及功能类群对不同土壤有机碳输入的响应

根系与凋落物有机碳输入变化对土壤生物群落的影响研究是目前学术界关注的热点问题,但冻融季不同有机碳输入方式将对土壤真菌群落结构及功能类群产生何种影响尚不明确。土壤真菌群落是调节森林生态系统稳定性的重要因素,有助于维持生态系统生产力时间尺度的稳定性。为了探索冻融季温带森林土壤真菌群落对控制根系和凋落物有机碳输入方式的响应特征,通过在帽儿山生态站设置4种碳源输入控制处理植物残体添加去除(DIRT):去除凋落物仅根系输入处理、去除根系仅凋落物输入处理、无碳源输入处理和同时进行根系与凋落物输入处理,采用ITS rDNA高通量测序技术和FUNGuild功能预测平台,来分析控制根系和凋落物有机碳输入方式对温带森林土壤真菌群落结构和功能类群的影响。研究结果显示：(1)不同有机碳输入方式改变了土壤真菌类群的多度：与自然生长状态下有机碳输入方式相比,根系有机碳输入比凋落物有机碳输入对土壤真菌类群多度影响更明显,去除根系碳源输入处理使真菌群落中子囊菌门含量升高19.52%,担子菌门含量下降16.77%。(2)有机碳输入方式对土壤真菌群落功能类群产生影响：与自然生长状态下有机碳输入方式相比,去除根系碳源输入处...     

草地植物根系碳储量和碳流转对CO2浓度升高的响应

植物根系是陆地生态系统重要的碳汇和矿质养分库,也是土壤中碳及养分的主要来源,只有深入认识CO2浓度升高下根系的碳汇功能和根系周转对土壤碳库的影响,才能准确预测生态系统对全球变化的响应与反馈调节作用.介绍了CO2浓度升高对草地植物根系生物量、根系凋落物的数量和品质以及根系周转速率的影响,指出研究植物体内碳向根分配格局的变化趋势必须考虑CO2浓度升高的直接和间接两方面作用;在预测根系碳库储量的动态变化时,需要区分不同功能根系组分的生物量;为更准确估算根系周转速率,有必要确立草地植物根系直径与其寿命之间的关系;CO2浓度升高普遍提高根系凋落物的C/N,但以此判定其在土壤中的分解速率快慢并不可靠,需要进一步从机理上探究根系凋落物分解的控制因素.     

添加混合凋落物对沙丘草地土壤有机碳矿化的影响

土壤有机碳矿化是调节温室气体排放、土壤有机质形成以及土壤生物和植物营养供应的重要过程,植物残体分解释放CO_2对土壤有机碳矿化有着重要影响。通过对科尔沁沙地沙丘草地4种优势植物叶凋落物的混合培养试验,测定了凋落物培养过程中CO_2释放速率及其累积释放量,比较了混合凋落物CO_2释放量实测值与预测值的差异,分析了凋落物化学成分和物种多样性(包括物种丰富度和物种组成)与土壤有机碳矿化的相关关系,以期解释添加混合凋落物对土壤有机碳矿化的影响。结果表明,混合凋落物物种丰富度对土壤有机碳矿化的影响不显著,而凋落物一些化学性质与土壤有机碳矿化紧密相关;所有混合组合处理中,80%的凋落物组合处理对土壤有机碳矿化产生显著(P0.05)的非加和效应;氮含量较高的豆科植物达乌里胡枝子凋落物与禾本科植物凋落物混合后土壤有机碳矿化表现极显著(P0.001)的协同非加和效应,而禾本科植物凋落物交互混合后土壤有机碳矿化产生显著拮抗非加和效应,这可能是凋落物化学成分相似或凋落物叶片的空间异质性引起的。     

胶州湾滨海湿地凋落物分解对土壤有机碳矿化的影响

通过室内培养试验和三维荧光光谱技术(3D-EEMs),开展了胶州湾滨海湿地碱蓬、芦苇和互花米草的分解对土壤有机碳矿化的影响研究。结果表明,凋落物的添加提高了土壤有机碳矿化速率和累积矿化量,具体表现为碱蓬互花米草芦苇空白对照;乘幂曲线模型能较好地描述有机碳矿化速率和累积矿化量的变化趋势。光谱分析表明,分解过程中类蛋白荧光强度始终大于类腐殖酸荧光强度;利用荧光区域积分进行定量分析表明,不同处理下类蛋白质物质占比最高,类腐殖质物质次之;荧光参数表明,土壤有机碳的芳香化程度在培养期间先升高后降低。凋落物分解通过增加土壤中的营养物质,提高了土壤中微生物活性,从而改变了土壤有机碳的结构和化学组分,且凋落物的植被特征决定了其对土壤有机碳矿化影响程度的大小。     

凋落物输入对三江平原弃耕农田土壤基础呼吸和活性碳组分的影响

土壤有机碳的积累主要由土壤有机质的输入与输出间的净平衡决定的,植被的恢复和凋落物质的大量输入是土壤恢复的先决条件,凋落物的输入在土壤恢复过程中起着至关重要的作用.通过对不同类型凋落物输入到三江平原弃耕农田后土壤的基础呼吸、溶解有机碳(DOC)和土壤微生物量碳(MBC)的研究表明:相同种类凋落物输入后,输入到土壤总有机碳(TOC)背景值低的凋落物被微生物降解的速率大于TOC背景值高的土壤,TOC较低的土壤能够加快微生物对输入凋落物的分解,不利于有机质的积累;不同类型凋落物的输入使土壤基础呼吸、DOC和MBC等活性组分的生成和降解产生差异,改变了凋落物的降解速率,在三江平原研究的4种主要植被类型中,人工林凋落物最容易降解,小叶章、大豆的降解能力次之,玉米是最难降解的凋落物.     

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。     

陆地生态系统混合凋落物分解研究进展

凋落物分解在陆地生态系统养分循环与能量流动中具有重要作用,是碳、氮及其他重要矿质养分在生态系统生命组分间循环与平衡的核心生态过程。自然生态系统中,植物群落大多具有较高的物种丰富度和多样性,其混合凋落物在分解过程中也更有可能发生养分传递、化学抑制等种间互作,形成多样化的分解生境,多样性较高的分解者类群以及复杂的级联效应分解,这些因素和过程均对研究混合凋落物分解过程、揭示其内在机制形成了极大的挑战。从构成混合凋落物物种丰富度和多样性对分解生境、分解者多样性及其营养级联效应的影响等方面,综合阐述混合凋落物对陆地生态系统凋落物分解的影响,探讨生物多样性在凋落物分解中的作用。通过综述近些年的研究发现,有超过60%的混合凋落物对其分解速率的影响存在正向或负向的效应。养分含量有差异的凋落物混合分解过程中,分解者优先利用高质量凋落物,使低质量的凋落物反而具有了较高的养分有效性,引起低质量凋落物分解加快并最终使混合凋落物整体分解速率加快;而凋落物物种丰富度对土壤动物群落总多度有轻微的影响或几乎没有影响,但是对线虫和大型土壤动物的群落组成和多样性有显著影响,并随着分解阶段呈现一定动态变化;混合凋落物改变土壤微生物生存的理化环境,为微生物提供更多丰富的分解底物和养分,优化微生物种群数量和群落结构及其分泌酶的活性,并进一步促进了混合凋落物的分解。这些基于植物-土壤-分解者系统的动态分解过程的研究,表明混合凋落物分解作用不只是经由凋落物自身质量的改变,更会通过逐级影响分解者多样性水平而进一步改变分解速率和养分释放动态,说明生物多样性确实在一定程度上调控凋落物分解及其养分释放过程。     

全球环境变化对森林凋落物分解的影响

全球环境变化将对森林生态系统凋落物的分解和养分循环产生直接和间接的多重影响.就全球环境变化如全球变暖、大气CO2浓度升高、UV-B辐射增强、氮沉降等对凋落物分解影响的研究进展进行了综合述评.影响凋落物分解的内部因素为凋落物基质质量,外部因素包括生物因素(微生物和动物)和非生物因素(温度、水分和土壤性质等).全球变暖对凋落物分解的非生物作用有正效应,也有负效应.全球变暖对凋落物化学组成虽然只有轻微的影响,但可以通过影响植被的物种组成来间接改变凋落物的产量、化学性质和分解.全球变暖对凋落物分解生物作用的主要影响是增强土壤微生物活性,从而加速凋落物的分解.CO2浓度上升将增加凋落物产量,并通过影响凋落物质量(提高C/N比、木质素/N比等)和生物环境(微生物的数量和活性)而影响分解过程.UV-B辐射和大气N沉降的增加亦对凋落物分解产生直接和间接的影响,但影响效果尚不很清楚,有待进一步的研究.总起来看,全球环境变化将通过影响凋落物的分解速率而对全球碳循环产生重要影响,但由于气候变化和凋落物分解响应的复杂性以及各因子之间的相互作用,气候变化对凋落物分解的总效应尚需更深入的研究来定量化.     

植物凋落物影响土壤有机质分解的研究进展

植物凋落物是土壤动物和土壤微生物的主要生命物质和能量来源,其类型、组成以及物理化学等性质直接决定了土壤有机质的品质。对植物凋落物的类型、品质、物理性质、层效应和激发效应以及根际碳淀积与土壤有机质分解的关系进行了总结,可为研究植物凋落物对土壤有机质的影响提供理论参考,指出要在全球变暖背景下进一步加强凋落物分解过程中土壤微生物和酶活性变化的研究。     

秦岭火地塘林区油松林土壤碳循环研究

采用土壤碳循环分室模型,对秦岭火地塘林区油松林土壤碳各分室的碳贮量和通量进行了研究.结果表明,研究区油松林土壤有机碳贮量为146.071 t·hm^-2,其中矿质土壤层130.366 t·hm^-2、凋落物层12.626 t·hm^-2,土壤有机碳储存量低于我国森林土壤碳贮量平均值,高于处在我国最低水平的暖性针叶林和热带林,与本区锐齿栎林相比也明显偏低.林地植物年凋落进入土壤的碳量为5939 t·hm^-2,其中地上枯枝落叶占56.9%、地下死细根占43.1%; 凋落物层分解后每年以腐殖酸形式输入矿质土壤中的碳量为2.034 t·hm^-2.油松林土壤(含植物根系)年呼吸释放碳量14.012 t·hm^-2,其中凋落物层、矿质土壤层、死根系和活根系分别占林地总呼吸量的15.7%、14.5%、11.7%和58.1%.     

改变凋落物输入对不同林龄油松林土壤呼吸的影响

为了解不同林龄油松林凋落物输入与土壤呼吸的关系以及不同呼吸组分的贡献,本研究以辽河源地区3种不同林龄(中龄林、近熟林、成熟林)的油松天然林为对象,利用LI-8100土壤碳通量测量系统对4种不同凋落物输入(加倍地上部分凋落物(DL)、去除地上部分凋落物(NL)、地上部分凋落物和根系去除(NI)以及对照(CK))处理生长季的土壤呼吸速率进行连续观测。结果表明:改变凋落物输入对中龄林的土壤温湿度均产生显著影响。NL处理显著增加了中龄林和成熟林土壤温度,显著降低了中龄林和近熟林的土壤湿度,但改变凋落物输入对近熟林土壤温度和成熟林土壤湿度没有显著影响。DL处理显著提高土壤呼吸速率,NL处理显著降低土壤呼吸速率,DL处理土壤呼吸增加的幅度大于NL处理土壤呼吸降低的幅度。中龄林和近熟林不同呼吸组分对总呼吸的贡献表现为:矿质土壤呼吸>凋落物呼吸>根系呼吸,而成熟林根系呼吸贡献大于凋落物呼吸。随林龄的增加,矿质土壤呼吸贡献逐渐降低,而根系呼吸贡献逐渐增加,两种呼吸组分贡献在中龄林和成熟林间有显著差异。去除凋落物显著改变不同林龄土壤温湿度中主要限制因子并提高主要限制因子对土壤呼吸的影响,加倍凋...     

杉木根系和凋落物对土壤微生物学性质的影响

通过模拟试验,研究了杉木根系和凋落物及其交互作用对土壤微生物学性质的影响.结果表明：杉木根系和凋落物在土壤生态过程中发挥的作用有所不同.与对照相比,杉木根系处理的土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤基础呼吸、土壤有机碳（TOC）和微生物熵显著增加,土壤呼吸熵（qCO₂）显著降低（P<0.05）;凋落物处理中,仅土壤基础呼吸和qCO₂显著降低（P<0.05）,而MBC、TOC和微生物熵没有显著变化（P>0.05）.杉木根系和凋落物对土壤基础呼吸和qCO₂的影响具有显著的交互作用.qCO₂与土壤可溶性碳（R²=0.325）及TOC（R²=0.209）含量呈显著正相关,说明微生物对碳的利用效率随土壤有机碳数量的增加而降低.与凋落物相比,杉木根系在土壤生态过程中发挥着更重要的作用.     

养分输入方式对森林生态系统土壤养分循环的影响研究进展

土壤养分循环对森林生态系统稳定性维持、树种选择及更新、可持续经营具有重要意义,掌握养分输入来源及过程可指导森林生态系统物质循环与能量流动分析及生态功能评估。凋落物、根系周转、根系分泌物是森林土壤养分的主要来源,是土壤养分循环的重要组成部分。本文分析了3种主要养分输入方式及其影响因素,总结了凋落物组成及理化性质、生物因子、环境因子等对凋落物分解及土壤养分循环的影响;综述了细根底物性质、树种组成、土壤生物、环境因子变化对细根周转及土壤养分循环的影响;探讨了根系分泌物对土壤养分循环过程的作用,基于此,提出了该领域亟需深入研究的重要方向,以期为相关研究及森林生态系统养分管理提供参考。     

模拟增温对湿地植物凋落物分解及细菌群落的影响

植物凋落物分解是湿地生态系统物质循环的重要组成部分,随着全球气候变化的逐渐加剧,气候变暖对湿地植物凋落物分解的影响已引起人们的广泛关注。本研究通过凋落物袋法对比研究了山东省南四湖湿地中芦苇和香蒲两种典型湿地植物的凋落物分解过程,利用开顶式生长室(Open-top Chamber, OTC)模拟了大气增温(2.0±0.5)℃—(4.0±0.5)℃对凋落物分解特征和细菌群落的影响。结果显示,增温显著加速了两种植物凋落物的分解速率,而木质素/氮(Lignin/N)、纤维素/氮(Cellulose/N)是影响凋落物分解速率的重要因子,与分解速率呈显著负相关。增温显著增加了细菌群落的丰度和多样性,碳是厚壁菌门(Firmicutes)等细菌丰度变化的驱动因子,而木质素、木质素/氮是拟杆菌门(Bacteroidota)等细菌丰度变化的驱动因子。细菌群落共现网络显示,在增温条件下,凋落物分解的细菌群落网络主要由共生关系组成。气候变暖提高了细菌之间的相互关系和互惠程度,加快了植物凋落物的分解进程,进而影响了湿地生态系统的碳收支平衡。     

培养条件下枯落物分解过程中微生物残体对土壤有机碳形成的贡献

采用黄土丘陵区多年生C3草本植物长芒草为对象,模拟“枯落物-土壤”转换界面,进行了为期512 d的室内分解试验,对枯落物分解过程中界面土层微生物残体和土壤碳组分动态进行了研究。结果表明：土壤微生物残体的形成在分解早期和中期由真菌主导,而在晚期由细菌主导。真菌残体碳对矿物结合态有机碳的贡献率(38.7%～75.8%)明显高于细菌(9.2%～22.5%),是细菌残体贡献率的3～4倍。土壤有机碳含量在枯落物分解过程中呈下降趋势。植物碳源的输入调动了微生物对土壤碳组分的利用。颗粒态有机碳分解早期和晚期持续下降,成为土壤有机碳含量减少的直接原因;而微生物残体碳和矿质结合态有机碳的波动变化对土壤有机碳含量的降低只起到间接作用。一次性外源添加枯落物引起的土壤微生物残体碳的增加并没有直接贡献土壤有机碳的积累。     

碳输入方式对森林土壤碳库和碳循环的影响研究进展

凋落物和植物根系是森林土壤有机碳的主要来源.综述了不同碳输入方式对土壤全碳、微生物生物量碳和可溶性有机碳等碳库组分及土壤呼吸影响的研究进展.不同地区、不同森林土壤有机碳对碳输入的响应程度不同,且采用添加和去除凋落物,以及去除根系方法(DIRT)对土壤碳的影响具有树种差异和区域差异.目前主要侧重于土壤呼吸和碳库组分的研究,亟需开展对土壤碳的结构类型和稳定性,以及土壤生物尤其是土壤动物的响应机制的相关研究.