罗浮栲林土壤微生物碳利用效率对短期氮添加的响应

作为调节土壤碳矿化过程的重要参数,微生物碳利用效率(CUE)对理解陆地生态系统中的碳循环至关重要。本研究在戴云山罗浮栲林设置对照(0 kg N·hm^-2·a^-1)、低氮(40 kg N·hm^-2·a^-1)和高氮(80 kg N·hm^-2·a^-1) 3个氮添加水平以模拟氮沉降,测定了表层(0～10 cm)土壤基本理化性质、有机碳组分、微生物生物量和酶活性;并利用¹⁸O标记水方法测定土壤微生物CUE,以更好地理解氮沉降加剧对微生物CUE的影响及其影响因素。结果表明: 短期氮添加显著降低了土壤微生物的呼吸速率、碳和氮获取酶活性,但显著增加了土壤微生物CUE。β-N-乙酰氨基酸葡糖苷酶(NAG)/微生物生物量碳(MBC)、微生物呼吸速率、β-葡萄糖苷酶(BG)/MBC、纤维素水解酶(CBH)/MBC和土壤有机碳含量是影响CUE的主要因素,且CUE与NAG/MBC、微生物呼吸速率、BG/MBC和CBH/MBC呈显著负相关,与土壤有机碳呈显著正相关。综上,短期氮添加导致土壤微生物获取碳和氮的成本降低,减少微生物呼吸,从而提高了土壤微生物CUE,这将有助于提高罗浮栲林土壤碳固存潜力。     

氮添加对亚热带毛竹林土壤微生物群落结构的影响

氮沉降会影响森林生态系统地上(如植物生产力和组成)和地下特性(如土壤养分循环),进而影响土壤微生物群落结构和功能。本研究以亚热带戴云山毛竹林为对象,设置N0(0 kg N·hm^-2·a^-1)、N20(20 kg N·hm^-2·a^-1)、N80(80 kg N·hm^-2·a^-1) 3个施氮水平,进行3年的氮沉降模拟实验。通过测定土壤基本理化性质、腐殖化指数和微生物磷脂脂肪酸等指标,研究氮添加对毛竹林土壤养分、腐殖化指数和微生物群落结构的影响。结果显示,N20显著增加土壤腐殖化指数,降低土壤中碱性阳离子总量(K⁺,Na⁺,Ca²⁺,Mg²⁺)、革兰氏阳性菌(G⁺)、革兰氏阴性菌(G^-)、总磷脂脂肪酸含量和G⁺/G^-。与N20相比,N80处理土壤NO₃^-     

羊草基因型数目与氮添加对土壤微生物群落的交互影响

物种多样性(或同一物种遗传多样性)减少和氮富集都是影响陆地生态系统进程的主要因素,它们之间的交互作用是否对土壤微生物群落产生显著影响已成为研究者关心的主要科学问题。研究羊草基因型数目(1、2、4三种基因型数目组合)和氮添加(无氮添加、低氮添加和高氮添加3种水平)对土壤微生物群落的总磷脂脂肪酸(PLFA,Phospholipid Fatty Acid)含量、细菌PLFA生物标记含量、真菌PLFA生物标记含量、真菌/细菌比、以及基于每个PLFA生物标记相对含量百分比所得微生物群落的Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数的影响。结果表明:氮添加对细菌PLFA生物标记含量,以及土壤微生物PLFA生物标记的Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数具有显著影响(P0.05);基因型数目对所测变量无显著影响(P0.05),但基因型数目和氮添加的交互作用对细菌PLFA生物标记含量和真菌/细菌比具有显著影响(P0.05)。研究结果为全球变化背景下氮沉降及重要物种种群数量减少对土壤微生物群落的影响提供了科学数据,为合理解释群落动态变化提供了数据支持。     

氮磷添加对亚热带常绿阔叶林土壤微生物群落特征的影响

为了探讨氮磷添加对土壤微生物特点的影响,选择安徽省池州仙寓山常绿阔叶老龄林,设定了4个水平的氮磷添加试验,即对照(CK,0 kg N/hm~2)、低氮(LN,50 kg N/hm~2)、高氮(HN,100 kg N/hm~2)、高氮+磷(HN+P,100 kg N/hm~2+50 kg P/hm~2)。利用氯仿熏蒸法和Biolog微平板技术,分析不同水平氮磷添加对不同土层(0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm)土壤微生物生物量C(MBC)、N(MBN)和微生物群落功能多样性的影响。结果表明:MBC、MBN随土层加深而降低,且差异性极显著,MBC与MBC/MBN比在氮磷添加后均表现出显著性差异;土壤微生物群落的代谢活性随土层加深而降低,HN与LN处理的土壤微生物活性最高;Mc Intosh、Shannon和Simpson多样性指数在不同土层和不同N、P添加水平上都存在差异,表层土壤微生物多样性指数差异性较为显著。土壤微生物对羧酸类、氨基酸类和碳水类碳源利用率最高;主成分分析显示不同土层的土壤微生物碳源利用上有明显的变化,表层土壤微生物碳源利用在不同N、P添加水平上有明显的空间变异性,其他土层分布较为集中,空间差异性主要表现在对碳水类与羧酸类碳源的利用上。土层与氮、磷添加剂量对土壤微生物生物量C、N及功能多样性都有显著影响,其中高氮处理对表层土壤微生物影响最大。     

高寒湿地土壤微生物区系组成对氮添加的响应

土壤微生物是土壤养分循环的关键驱动者,对土壤环境变化感应明显,氮是陆地生态系统的限制元素之一,其改变可能会给生态系统物种多样性造成一定影响.为了解高寒湿地土壤微生物组成对氮添加的响应,以青海湖流域高寒湿地为研究对象,通过(0 g·m-2、0.5 g·m-2、1 g·m-2、1.5 g·m-2、2 g·m-2、2.5 g...     

荒漠草原3种典型群落类型的土壤微生物量碳氮研究

采用氯仿熏蒸-浸提法,以宁夏盐池荒漠草原3种典型群落(柠条、沙蒿、短花针茅)类型为研究对象,分析了不同生境(冠下、丛间)和不同土层间(0~5、5~10、10~15cm)土壤理化性质及微生物量——微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)的变化特征。结果表明:(1)3种群落土壤微生物量变化差异较大,柠条、沙蒿和短花针茅群落土壤MBC含量分别为77.00~393.18、17.27~221.71和81.05~173.37mg/kg,MBN含量分别为7.59~64.81、1.43~13.95和4.25~22.13mg/kg,MBC和MBN含量均表现为:冠下丛间,且随土层深度的增加而降低,有明显的"沃岛效应"。(2)群落类型对土壤微生物量碳氮含量的变化有显著影响,3种典型群落类型下土壤微生物量熵(qMB)、碳氮比(C/N)、微生物量碳氮比(MBC/MBN)分别在0.76~4.10、15.02~52.50、5.34~23.07范围内变化,其比值在不同生境和不同土层深度的分布特征有明显差异。(3)3种典型群落类型的土壤MBC与SOC、MBN、qMB具有显著相关关系,土壤C/N与MBC/MBN呈显著正相关关系,表明土壤MBC、MBN具有一定的生物学指示特性,可以作为评价土壤质量的生物学指标。     

氮添加对黄土丘陵区油松人工林根际土壤微生物群落结构的影响

中国南方及中部为高氮沉降区(～35 kg·hm^-2·a^-1),氮沉降量向西北依次递减(～7.55 kg·hm^-2·a^-1).黄土高原区历经几十年的退耕还林还草而面貌一新,但该区域人工林土壤微生物群落结构对氮素添加响应的研究还鲜有报道.本研究以黄土丘陵区不同林龄油松人工林为研究对象,应用Illumina HiSeq测序技术对细菌16S rDNA和真菌ITS进行序列测定与分析,探讨根际土壤细菌和真菌群落结构组成对土壤氮添加(施用量为200 kg N·hm^-2·a^-1纯氮)的响应,旨在探究我国西北黄土丘陵区油松人工林根际土壤微生物多样性及群落结构对定量氮添加的响应.结果表明: 氮添加显著增加了25年龄林地细菌和真菌Shannon多样性,显著增加了40年龄林地细菌丰度指数.氮添加显著增加了40年龄林地拟杆菌门的相对丰度和25年龄林地酸杆菌门及接合菌门的相对丰度,但显著降低了40年龄林地奇古菌门的相对丰度.非度量多维尺度分析结果显示,氮添加对土壤细菌群落结构组成的影响程度大于真菌,对25年龄林地微生物群落结构组成的影响程度大于40年龄林地.表明不同林龄油松人工林根际土壤微生物的多样性及群落结构对土壤氮添加响应具有差异性.相对于真菌群落结构组成,细菌群落结构组成对氮添加更敏感;相对于40年龄林地,25年龄林地根际土壤微生物的群落结构组成对氮添加更敏感.因此,黄土高原区人工林地生态系统演替到一定阶段(40年左右),比幼龄林地生态系统更能承受外界较大的氮添加扰动.     

长期不同施肥制度对潮棕壤微生物生物量碳、氮及细菌群落结构的影响

以沈阳生态站长期定位试验为研究平台,采用传统氯仿熏蒸方法和现代PCR-DGGE技术探讨了长期不同施肥制度对土壤微生物生物量碳和氮及细菌群落结构的影响.结果表明:在整个试验期,土壤微生物生物量碳和氮的动态变化趋势基本相同;长期施用有机肥可显著提高土壤有机碳和土壤微生物生物量碳和氮含量,而长期施用化肥明显降低土壤pH,土壤微生物生物量碳和氮含量也显著降低.DGGE图谱表明:不同施肥处理的细菌16S rDNA多数条带分布相同,28条带中有18条为共有条带,说明潮棕壤中细菌类群较稳定,但其数量受到施肥的影响;长期施用有机肥促进潮棕壤细菌群落结构的多样性,而施用化肥处理则降低了其多样性.     

环丙沙星对土壤微生物量碳和土壤微生物 群落碳代谢多样性的影响

采用氯仿熏蒸浸提法和Biolog法,分析环丙沙星作用下的土壤微生物量碳和微生物群落碳代谢多样性,以揭示环丙沙星在环境中残留对土壤微生物学性状的影响.结果表明,环丙沙星(wCIP≥0.1 μg/g)对土壤微生物量碳含量影响显著(P＜0.05),土壤中环丙沙星浓度愈高,微生物量碳含量愈低,100μg/g的环丙沙星处理使土壤微生物量碳含量下降58.69％.环丙沙星对土壤微生物群落碳代谢功能影响显著,环丙沙星降低了土壤微生物对碳水化合物、羧酸、氨基酸、聚合物、酚类和胺类的碳源利用率;环丙沙星(wCIP≥0.1 μg/g)显著影响了土壤微生物群落碳源代谢强度和代谢多样性,但不同浓度的环丙沙星对土壤微生物群落碳代谢功能的影响不同,0.1、1、10 μg/g的环丙沙星处理对土壤微生物群落碳代谢功能的影响主要表现在处理前期(用药第7天、21天),这种影响在处理后期(用药第35天)表现不明显,100μg/g的环丙沙星在用药的前期和后期均显著影响土壤微生物群落碳代谢功能,土壤中环丙沙星积累到该浓度可能对土壤微生物群落碳代谢功能产生难以逆转的长期影响.     

氮添加诱导的磷限制改变了亚热带黄山松林土壤微生物群落结构

土壤微生物在陆地生态系统的生物地球化学循环中起着重要作用。然而目前尚不清楚氮(N)添加量及其持续时间如何影响土壤微生物群落结构,以及微生物群落结构变化与微生物相对养分限制状况是否存在关联。本研究在亚热带黄山松林开展了N添加试验以模拟N沉降,并设置3个处理:对照(CK, 0 kg N·hm^-2·a^-1)、低N(LN, 40 kg N·hm^-2·a^-1)和高N(HN, 80 kg N·hm^-2·a^-1)。在N添加满1年和3年时测定土壤基本理化性质、磷脂脂肪酸含量和碳(C)、N、磷(P)获取酶活性,并通过生态酶化学计量分析土壤微生物的相对养分限制状况。结果表明: 1年N添加对土壤微生物群落结构无显著影响,3年LN处理显著提高了革兰氏阳性菌(G⁺)、革兰氏阴性菌(G^-)、放线菌(ACT)和总磷脂脂肪酸(TPLFA)含量,而3年HN处理对微生物的影响不显著,表明细菌和ACT对N添加可能更为敏感。N添加加剧了微生物C和P限制,而P限制是土壤微生物群落结构变化的最佳解释因子。这表明,N添加诱导的P限制可能更有利于部分贫营养菌(如G⁺)和参与P循环的微生物(如ACT)的生长,从而改变亚热带黄山松林土壤微生物群落结构。     

暖温带森林土壤微生物量、群落结构和活性对植物地下碳源的响应

该研究以典型的亚热带—温带过渡区森林为对象,采用野外过程监测和控制试验相结合的方法,利用磷脂脂肪酸和土壤胞外酶活性分别表征土壤微生物群落结构和活性,并结合微环境因子,重点探究土壤微生物生物量、群落结构和活性对植物地下碳输入的响应特征。结果表明：在观测周期内,处理均能显著降低三组年龄段林分的土壤微生物量碳,其变化幅度在－8.72％~－5.72％之间,其中在80年的林分中降幅最大,而在160年的林分中降幅最小;微生物量氮的变化规律与相应的微生物量碳的变化规律相似,但与对照相比其差异性均未达到显著性水平;另外,经壕沟处理2~4个月后,所有林分的土壤微生物量碳和氮与对照相比出现增加的现象。处理均能对三组年龄段林分的土壤微生物群落结构产生不同程度的影响,其中40年林分的土壤微生物群落对处理的响应程度要高于另外两个年龄段的林分;与对照相比,壕沟处理样方的腐生真菌的相对丰富度均下降明显,其中在40年和80年林分中的下降幅度达到显著水平,而细菌、放线菌和丛枝菌根真菌均无明显变化;壕沟处理样方的水解酶(β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-葡萄糖苷酶)活性均显著下降,而氧化酶(酚氧化酶和过氧化物酶)活性的变化相对较小,除80年的林分外,其余林分均不显著。此外,处理均不能显著影响土壤的含水量和温度。该研究结果为初步阐明全球气候变化背景下森林土壤微生物结构及其功能的变化特征以及更加精确预测未来森林土壤碳的变化趋势提供了科学依据。     

植被类型变化对土壤微生物碳利用效率的影响研究进展

植被类型变化强烈影响着土壤碳循环。土壤微生物碳利用效率（CUE）是微生物将从环境中获取的碳分配给自身生长的比例,是土壤碳循环的综合指标。研究植被类型变化对CUE的影响有助于从微生物视角理解该过程中的土壤碳动态,可以为评估植被类型变化对土壤质量及生态系统碳循环的影响提供基础,具有重要的理论及实际价值。通过系统查阅相关文献,综述了植被类型变化导致的CUE变化情况,以及该过程中影响CUE的因子与机制。目前,相关研究主要涉及以林地、草地和农业用地为起点或终点的植被变化类型。天然林（原生林、次生林）变化为人工林、林地变化为草地后CUE普遍下降,随终点植被的发展CUE可能恢复至起点水平。植被成熟度越高,发生转变时CUE变化越剧烈。植被类型变化以农业用地为起点或终点时,CUE变化方向的不确定性及幅度的变异性均增加。植被类型变化导致的CUE变化主要受到植被、土壤、微生物因子及其交互作用的驱动,指示CUE的指标、采样季节和土层也会一定程度上影响CUE的变化。今后相关研究应采用直接的CUE测定方法,拓宽研究气候区及植被变化类型,关注植被变化过程中CUE变化的土层差异及动态监测,深入对植被类型变化导致的生态环境因子变化与CUE的关系及作用机制的研究。     

土壤微生物碳素利用效率研究进展

土壤微生物碳素利用效率(CUE)是指微生物将吸收的碳(C)转化为自身生物量C的效率,也称为微生物的生长效率。土壤微生物CUE是生态系统C循环中的重要生理生态学参数,影响着生态系统的C固持、周转、土壤矿化以及温室气体排放等过程。在全球环境变化背景下,认识土壤微生物CUE的变异及其影响机制,对于更好的认识生态系统C循环过程及其对全球变化的响应具有重要意义。概述了CUE的定义及其测定方法,重点综述和分析土壤微生物CUE的变异及影响因素取得的研究进展。基于现有研究的分析得出,土壤微生物CUE通常表示为微生物的生长与吸收的比值,分为基于微生物生长速率、微生物生物量、底物吸收速率和底物浓度变化等方法进行测定。土壤微生物CUE在0.2—0.8的范围内变化,这种变异主要受到来自热力学、生态环境因子、底物养分质量和有效性、化学计量平衡以及微生物群落组成的影响。今后土壤微生物CUE的研究应加强对微量代谢组分的定量分析,生物和环境要素交互影响的调控机理解析,以及微生物动态生理响应过程的碳循环模型优化。     

氮输入对东北土壤碳蓄积氮素利用效率的影响

由于人类活动影响,通过沉降和施肥方式进入生态系统的活性氮显著增加,其对土壤有机碳库产生重要影响。氮素利用效率(NUE)作为深入理解陆地生态系统碳氮耦合关系的重要参数,对NUE时空规律的研究不仅可以评估目前氮输入对陆地生态系统碳汇增加的贡献,同时也有助于预测未来氮输入情况下陆地生态系统的碳平衡。利用生态系统过程模型——CEVSA2模型的模拟结果,分析了东北地区氮输入情况下,土壤碳的氮素利用效率(SNUE)的时空变化规律及其影响因素,结果表明:(1)1961—2010年,氮输入的显著增加促进了土壤碳的蓄积,但SNUE显著下降;(2)森林的平均SNUE最高,农田最低;灌丛的下降速率最大,森林的SNUE变化趋势最不显著;(3)三江平原和长白山地区以及大小兴安岭的部分地区SNUE最大,其次是辽河平原、松嫩平原地区;内蒙古高原、呼伦贝尔高原地区以及大、小兴安岭的部分地区SNUE出现负值,说明在这些地区,外援氮输入抑制了土壤碳的蓄积;(4)氮输入的空间分异和不同生态系统响应氮输入的差异共同决定了SNUE及其变化的空间格局。该研究结果可为进一步分析不同区域氮促汇潜力和预测未来氮输入情景下的区域碳平衡提供参考。     

Reduced carbon use efficiency and increased microbial turnover with soil warming

Global soil carbon (C) stocks are expected to decline with warming, and changes in microbial processes are key to this projection. However, warming responses of critical microbial parameters such as carbon use efficiency (CUE) and biomass turnover (rB) are not well understood. Here, we determine these parameters using a probabilistic inversion approach that integrates a microbial‐enzyme model with 22 years of carbon cycling measurements at Harvard Forest. We find that increasing temperature reduces CUE but increases rB, and that two decades of soil warming increases the temperature sensitivities of CUE and rB. These temperature sensitivities, which are derived from decades‐long field observations, contrast with values obtained from short‐term laboratory experiments. We also show that long‐term soil C flux and pool changes in response to warming are more dependent on the temperature sensitivity of CUE than that of rB. Using the inversion‐derived parameters, we project that chronic soil warming at Harvard Forest over six decades will result in soil C gain of <1.0% on average (1st and 3rd quartiles: 3.0% loss and 10.5% gain) in the surface mineral horizon. Our results demonstrate that estimates of temperature sensitivity of microbial CUE and rB can be obtained and evaluated rigorously by integrating multidecadal datasets. This approach can potentially be applied in broader spatiotemporal scales to improve long‐term projections of soil C feedbacks to climate warming.     

黄土丘陵区氮磷添加对草地群落优势种养分利用特征的影响

为阐明黄土丘陵区氮磷添加对草地群落优势种养分利用特征的影响,探究群落结构和物种多样性的变化机制,选取5个典型优势种,即白羊草(Bothriochloa ischaemum)、长芒草(Stipa bungeana)、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)和猪毛蒿(Artemisia scoparia)为研究对象,采用裂区试验设计,以氮添加为主区处理, 包括:0(N0)、25(N25)、50(N50) 和100(N100) kg N hm^-2 a^-1;以磷添加为副区处理,包括:0(P0),20(P20),40(P40) 和80(P80) kg P₂O₅ hm^-2 a^-1,测定了各物种叶片氮磷比、氮磷重吸收效率、氮磷利用效率和相对生物量等参数。5种植物的氮和磷重吸收效率正相关,对氮磷添加量的响应具有耦合性。不同氮磷添加处理下,达乌里胡枝子叶片氮磷比最高,而氮磷重吸收效率最低;白羊草和长芒草的氮磷利用效率和重吸收效率高于其他物种。单施磷或N25与磷配施下,各物种相对生物量与氮磷比和磷利用效率呈正相关关系,与氮利用效率和氮磷重吸收效率呈负相关关系。单施氮、N50和N100与磷配施下,各物种相对生物量与氮磷利用效率和重吸收效率呈正相关,与氮磷比呈负相关。不施肥处理下,白羊草和长芒草相对生物量最高,低氮高磷下达乌里胡枝子相对生物量最高,高氮高磷下铁杆蒿和猪毛蒿相对生物量最高。不同优势种对氮磷添加的响应不同,生理生态过程各异,决定了其在群落中的优势度,这是氮磷添加后草地群落结构和物种多样性发生变化的关键机制。     

夜间增温和施氮对川西亚高山针叶林土壤有效氮和微生物特性的短期影响

开展亚高山针叶林典型林地土壤有效氮和微生物特性对气候变化的响应研究, 对预测未来气候变化背景下亚高山针叶林生态系统C、N的源/汇功能具有重要意义。该文采用红外辐射加热器模拟增温结合外施氮肥的方法, 研究了川西亚高山针叶林下土壤化学特性、有效氮含量以及微生物生物量对夜间增温和施氮的短期响应。结果表明: 在模拟增温试验期间(2009年4月-2010年4月), 空气平均温度和5 cm土壤平均温度分别比对照提高了1.93和4.19 ℃, 增温幅度分别以夏季和冬季最为显著。增温对土壤pH值、有机碳、全氮和微生物生物量无显著影响。增温在试验前期降低了土壤NH₄ ⁺-N含量, 增加了NO₃ ^--N含量, 其影响程度随着增温时间的延长而下降。施氮显著增加了有效氮和微生物生物量氮, 降低了土壤pH值, 使土壤表现出明显的酸化现象。与单独的增温和施氮处理相比, 增温和施氮联合处理对林下土壤的有效氮和微生物特性有显著的交互作用, 显著增加了土壤的有机碳、有效氮及土壤微生物生物量氮含量, 并导致土壤进一步酸化。结果说明, 川西亚高山针叶林的土壤有效氮和微生物特性对土壤氮素状况的变化反应敏感, 而林下土壤有效氮和微生物特性对单独的温度升高表现出一定的适应性, 但更对增温和施氮双因素结合处理反应敏感且表现出不同的响应方式。因此, 该区域在未来全球变化下的氮沉降状况及气候变化的多因素协同效应值得长期深入的探讨。