岩溶区土壤微生物驱动的自养固碳过程与机制研究进展

自养微生物能够利用无机碳作为碳源合成自身营养物质,具有很强的环境适应能力,在富钙偏碱的岩溶区土壤的碳固定过程中扮演重要角色。本文综述了土壤微生物驱动的自养固碳过程、岩溶区土壤固碳功能微生物、自养固碳的分子机制及其产生的生态环境效应,并提出了亟待解决的关键科学问题。为深入研究和认识岩溶区土壤生态系统自养微生物驱动的固碳过程及其机制、提高岩溶区土壤的固碳潜能、发展岩溶区生态环境的保护与修复策略、应对气候变化及人类活动引起的土壤退化风险提供参考。     

蚯蚓对土壤微生物残留物的影响研究评述与展望

蚯蚓如何影响土壤有机碳的固持是土壤生态学的关键科学问题之一。蚯蚓能同时促进土壤有机碳分解和稳定,这种两面作用带来的不确定性被研究者称为"蚯蚓困境"。研究证据和新兴的"土壤微生物碳泵"概念模型表明土壤微生物残留物是土壤有机质的主要贡献者。为系统了解蚯蚓对土壤微生物残留物的影响与可能的机制,研究分析和总结了已有的国内外蚯蚓与微生物残留物（氨基糖）的相关研究成果,表明：（1）过往的研究忽略了蚯蚓对微生物残留物的影响,导致这一方向的研究严重滞后;（2）蚯蚓对土壤微生物残留物影响的方向和大小仍有很大的不确定性,可供量化分析其驱动机制的研究还很缺乏。研究尝试将蚯蚓整合到"土壤微生物碳泵"概念框架中,分析蚯蚓影响土壤微生物残留物3个方面的可能机制,即：（1）改变土壤微生物量、群落结构,（2）改变微生物生理特性,（3）改变土壤团聚体结构等,影响土壤有机碳的积累。同时,本文提出了未来相关研究的6个重点方向,包括：（1）蚯蚓对微生物的选择性取食,（2）肠道介导的微生物"涨落"现象,（3）蚯蚓对矿质结合有机物的"破坏"与"重组",（4）蚯蚓引起的"激发"和"续埋"效应,（5）多生态型相互作用,（6）全球变化背景下的蚯蚓生态学等,以期为进一步揭示蚯蚓-微生物相互作用影响土壤有机碳累积与稳定性的机制提供参考。     

农田作物同化碳输入与周转的生物地球化学过程

作物同化碳在“大气-植物-土壤”系统中流通的生物地球化学过程,显著影响全球陆地生态系统碳循环过程。作物同化碳是土壤有机碳的重要来源,与根际环境及作物生长发育有密切联系,但由于其复杂性和多变性,作物生长期内同化碳在土壤中的分配、转化与稳定的机理尚不十分清楚。因此,综述了作物同化碳向土壤碳库输入及其对土壤有机碳库的贡献,在土壤碳库中的分配与转化特征,在土壤中流通的微生物机制以及同化碳在土壤-微生物系统分配、稳定的微观机制。探讨同化碳在地上部-根际-土壤系统中的分配及调节机制,土壤界面同化碳流动过程与土壤微生物多样性形成的关系;提出了在不同生态系统尺度上加强作物同化碳在土壤-作物系统中分配过程的定量研究对于明确陆地生态碳循环过程的重要意义;指出了研究作物同化碳向土壤碳库迁移、分配定量过程与机制的重要性,以及应用显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术、和微生物分子与群落生态相偶联的技术是未来研究作物同化碳生物地球化学特性的有效手段。     

草地土壤固碳潜力研究进展

土壤固碳功能和固碳潜力已成为全球气候变化和陆地生态系统研究的重点。草地土壤有机碳库,作为陆地土壤有机碳库的重要组成部分,其较小幅度的波动,将会影响整个陆地生态系统碳循环,进而影响全球气候变化。因此,深入研究草地土壤固碳功能和固碳潜力对于适应和减缓气候变化具有重要意义。在土壤固碳潜力相关概念界定基础上,结合《2006年IPCC国家温室气体清单指南》,从样点及区域尺度上综述了目前关于草地土壤固碳潜力的一般估算方法,同时对各类方法的特点及适用性进行了评述,提出了草地生态系统固碳潜力研究概念模型。最后在对草地土壤固碳的影响因素及固碳措施总结的基础上,阐明了草地土壤有机碳固定研究中存在的问题和发展前景。     

细菌与古菌之间的直接电子传递

冰川占地球陆地表面的11%,储存了约10⁴ Pg有机碳。随着冰川消融有机碳被释放至下游生态系统中,刺激海洋、湖泊和径流的初级生产力进而影响其生态系统。微生物参与的固碳过程决定了冰川有机碳储量及向下游输出碳量。研究冰川固碳微生物群落构成及其生态功能,可为估算冰川碳积累量和保护下游生态系统提供数据基础。本文综述了冰川碳储量和释放量、冰川生态系统主要固碳途径、固碳微生物群落组成、固碳速率以及影响固碳速率的环境因素。最后基于研究现状展望了冰川生态系统固碳微生物的未来研究和发展方向。     

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。     

土壤微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量对气候变化的响应机制

微生物和土壤酶是陆地生态系统中生物地球化学循环的重要驱动力,深入理解微生物在生态系统中的调节作用以及气候变化过程中微生物量和土壤酶的响应机制是生态学领域关注的重要科学问题.本研究从气候因素角度出发,基于生态化学计量学理论,综述了微生物和土壤酶在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用,以及土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量对气候变化的响应机制,即: 改变微生物代谢速率和酶活性;调整微生物群落结构;调整微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量特征;改变碳氮磷养分元素利用效率.最后分析当前研究的不足,并提出了该领域亟待解决的科学问题: 综合阐明土壤微生物和土壤酶对气候变化的响应机制;探究土壤微生物和胞外酶养分耦合机理;深入探究土壤微生物量和土壤酶化学计量特征对气候变化的适应对策.     

保护性耕作对土壤微生物群落及其介导的碳循环功能的影响

农田生态系统耕作方式显著影响土壤微生物群落结构和功能,进而影响土壤微生物介导的土壤碳循环过程。以免耕结合作物秸秆还田为核心的保护性耕作是提升土壤碳汇功能和肥力的重要措施,其中土壤微生物发挥了关键作用。尽管有较多关于保护性耕作下微生物群落结构与功能的研究,但由于土壤系统的复杂性、环境因素以及微生物群落评价方法的差异性,尚未形成对保护性耕作下土壤微生物群落响应规律的系统认知。此外,研究多关注土壤微生物作为分解者的作用以及植物源碳对土壤碳库形成的贡献,而忽略了微生物源碳对土壤碳库形成和稳定的贡献。本文在归纳土壤有机质形成和稳定理论体系演变的基础上,梳理了土壤微生物研究方法的进展,重点阐述了保护性耕作对土壤微生物生物量、群落多样性和组成、碳代谢活性以及微生物源有机碳截获的影响,并对未来该领域的研究方向进行展望,以期为探索农田生态系统土壤微生物群落响应规律及其介导的土壤碳循环功能提供参考。     

岩溶区水生生态系统微藻的生物碳泵效应

微藻在水生生态系统的碳固定中扮演重要角色。本文综述了岩溶区水生生态系统生物碳泵的提出、岩溶区微藻生物碳泵作用、影响微藻固碳的主要环境因素以及岩溶区微藻固碳的研究进展,并提出了亟待解决的关键科学问题,为深入研究岩溶区水生生态系统微藻固碳能力及生物碳泵机制、科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力、丰富和完善岩溶碳循环理论提供参考。     

森林土壤有机碳分解对模拟增温的响应

由化石燃料燃烧和土地利用变化引起的全球气候变暖是地球上最严重的人为干扰之一,对陆地生态系统结构和功能产生重要的影响。土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统最大的碳库,其微小变化都会影响全球碳平衡和气候变化。近30年来,国内外学者在不同森林生态系统相继开展了野外模拟增温对SOC分解的影响及其调控机制研究。基于在全球建立的26个野外模拟气候变暖实验平台,系统分析增温对森林生态系统SOC分解的影响格局和潜在机制,发现增温通常促进森林SOC的分解,对气候变暖产生正反馈作用。然而,因增温方式和持续时间、土壤微生物群落结构和功能的多样性、SOC结构和组成的复杂性、植物-土壤-微生物之间相互作用以及森林类型等不同而存在差异,导致人们对森林SOC分解响应气候变暖的程度及时空格局变化缺乏统一的认识,且各类生物和非生物因子的相对贡献尚不清楚。基于已有研究,从土壤微生物群落结构和功能、有机碳组分以及植物-土壤-微生物互作3个方面构建了气候变暖影响SOC分解的概念框架,并进一步阐述了今后的重点研究方向,以期深入理解森林生态系统碳-气候反馈效应,为制定森林生态系统管理措施和实现"碳中和"提供科学依据。1）加强模拟增温对不同森林生态系统（特别是热带亚热带森林生态系统） SOC分解的长期观测研究,查明SOC分解的时空动态特征;2）加强土壤微生物功能群与SOC分解之间关系的研究,揭示SOC分解对增温响应的微生物学机制;3）形成统一的SOC组分研究方法,揭示不同碳组分对增温的响应特征和机制;4）加强森林生态系统植物-土壤-微生物间相互作用对模拟增温的响应及其对SOC分解调控的研究;5）加强模拟增温与其他全球变化因子（例如降水格局变化、土地利用变化、大气氮沉降）对SOC分解的交互作用,为更好评估未来全球变化背景下森林土壤碳动态及碳汇功能的维持提供理论基础。     

岩溶土壤有机碳库分配、更新及其维持的微生物机制

在水-二氧化碳-碳酸盐岩-生物的相互作用下,岩溶碳循环活跃,在全球形成8.24×108 t C/a的岩溶碳汇,约占全球遗漏汇的29.4%,其中部分岩溶碳汇以土壤有机碳的形式固存,因此碱性土壤固碳是未来碳中和的主要途径。微生物作为土壤碳循环的重要驱动者,影响着土壤有机碳主要赋存形式即植物残体碳与微生物残体碳的动态变化。本文通过综述岩溶土壤有机碳库储量、岩溶土壤有机碳库的来源与构成、影响岩溶土壤有机碳库动态的微生物因素以及岩溶土壤有机碳库更新的微生物机制,探讨了微生物对岩溶土壤植物残体碳与微生物残体碳的影响,并提出亟待解决的关键科学问题。这为深入研究岩溶区土壤有机碳库分配、更新及其维持的微生物机制,深化对岩溶土壤碳循环及其微生物机理认识,进而为应对千分之四全球土壤增碳计划提供了参考。     

丛枝菌根途径的土壤有机碳固存机制研究进展

菌根真菌已被认为是土壤碳库的重要部分,陆地植物中至少78%与丛枝菌根真菌(AMF)形成共生关系,故研究AMF途径的土壤有机碳(SOC)固存机投对提高生态系统碳汇具有重要意义,但目前缺乏系统探讨AMF途径的SOC固碳机制。AMF具有显著的生态特性,包括较根系更高的周转速度、广泛的菌丝扩展范围以及将代谢产物转化为土壤中的稳定碳源等,这些特征共同构成了AMF在固碳机制中的作用路径。AMF从植物根系获得碳源,经过菌丝生长、代谢产物(尤其球囊霉素相关蛋白)和残体形成,将其转化为AMF源碳。AMF的根外菌丝还能与其他微生物共存并协同作用,通过分解凋落物、促进微生物的合成代谢及其物质周转,不仅增加植物源碳输入和微生物源碳积累,还促进团聚体形成,有效保护土壤中的碳不被分解,从而实现AMF途径的土壤碳固存。AMF途径的土壤固碳能力在森林、草地和农田依次减弱,这与气候变化、土壤的生物与非生物因素、地下的共生菌根网络及人类活动紧密相关。还探讨了这些因素对AMF途径SOC固存的影响,并针对现有研究的不足提出了未来的研究展望。本综述以期更深入地理解AMF途径的SOC固存机制,为菌根途径提升生态系统碳汇能力的研究提供理论支持。     

土壤溶解性有机碳在陆地生态系统碳循环中的作用

土壤溶解性有机碳(DOC)是有机碳库的活跃组分,在陆地生态系统碳循环中发挥重要作用.本文从碳循环重要性着手,综述了土壤DOC在土壤碳固持与温室气体排放中的作用;结合我国的现实情况(如土壤酸化、气候变暖等),探讨了土壤DOC的相关影响因素如土壤性质、环境因素、人为活动对土壤DOC的影响及作用机制,对进一步理解土壤DOC在陆地生态系统碳循环与温室气体减排中的作用具有重要意义.     

氮沉降增加情景下植物-土壤-微生物交互对自然生态系统土壤有机碳的调控研究进展

大气氮沉降增加倾向于促进受氮限制陆地生态系统地上生物量,但是对地下碳过程和土壤碳截存的影响结果迥异,导致陆地生态系统“氮促碳汇”的评估存在很大的不确定性。大气氮沉降输入直接影响微生物活性或间接影响底物质量,改变凋落物和土壤有机质(SOM)的分解速率和分解程度,进而影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗过程。过去相关研究主要集中在土壤碳转化过程和碳储量动态方面,缺乏植物-微生物-SOM交互作用的理解,对土壤碳截存调控的生物化学和微生物学机理尚不清楚。本文以地下碳循环过程为主线,分别综述了氮沉降增加对植物地下碳分配、SOC激发效应、微生物群落碳代谢过程的影响,深入分析SOM化学稳定性与微生物群落动态的关系。该领域研究的薄弱环节体现在:(1)增氮倾向于降低根系的生长和周转,对根际沉积碳分配(数量和格局)的影响及驱动因素不明确;(2)虽然认识到氮素有效性影响土壤激发效应的方向和强度,但是氧化态NO-3和还原态NH+4输入对有机质激发效应的差异性影响及潜在机理知之甚少;(3)微生物碳利用效率(CUE)是微生物群落碳代谢的关键表征,能够很好地解释土壤碳的积累与损耗过程;由于缺乏适宜的测定方法,难以准确量化土壤微生物的CUE及微生物生物量的周转时间;(4)增氮会抑制土壤真菌群落及其胞外酶活性,对细菌群落组成的影响尚未定论,有关SOM化学质量与土壤微生物群落活性、组成之间的耦合关系尚不清楚。未来研究应基于长期的氮添加控制实验平台,结合碳氧稳定性同位素示踪、有机质化学、分子生物学和宏基因组学等方法,深入分析植物同化碳的地下分配规律、微生物碳代谢和周转、有机质化学结构与功能微生物群落的耦合关系等关键环节。上述研究将有助于揭示植物-土壤-微生物交互作用对SOC动态的调控机制,完善陆地生态系统碳-氮耦合循环模型,有效降低区域陆地碳汇评估的不确定性,并可为陆地生态系统应对全球变化提供科学依据。     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

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。     

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.     

微生物对分解底物碳氮磷化学计量的响应和调节机制

微生物分解者的生存和生长策略、群落结构和功能会随着底物化学计量特征而改变, 从而强烈地影响底物的分解速度和元素的周转速率, 进而影响生态系统的功能过程。深入理解微生物生理代谢活动和群落结构与陆地生态系统过程之间的联系及其对全球变化的响应和反馈机理是生态学和全球变化生物学领域值得关注的重大科学命题。该文基于生态化学计量学理论和代谢理论, 首先介绍微生物在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用; 然后综述微生物对分解底物化学计量变异性的响应和调节的4种主要机制: (1)调整微生物自身化学计量特征; (2)调整微生物群落结构; (3)产生特定的胞外酶以获取受限制的资源; (4)改变碳氮磷元素利用效率。最后, 通过分析当前研究不足, 提出该领域亟需关注的科学问题有: (1)综合阐明微生物对底物化学计量变化响应的各种机制及其相对重要性; (2)探索全球变化对微生物驱动的碳氮磷循环的影响; (3)探索微生物对底物化学计量变化适应对策的时空变化。     

植物与土壤微生物在调控生态系统养分循环中的作用

陆地生态系统的地上、地下是相互联系的。植物与土壤微生物作为陆地生态系统中的重要组成部分, 它们之间的相互作用是生态系统地上、地下结合的重要纽带。该文首先介绍了植物在养分循环中对营养元素的吸收、积累和归还等作用, 阐述了土壤微生物对养分有效性及土壤质量具有重要的作用。其次, 重点综述了植物与土壤微生物之间相互依存、相互竞争的关系。植物通过其凋落物与分泌物为土壤微生物提供营养, 土壤微生物作为分解者提供植物可吸收的营养元素, 比如共生体菌根真菌即可使植物根与土壤真菌达到互惠。然而, 植物的养分吸收与微生物的养分固持同时存在, 因而两者之间存在对养分的竞争。通过植物多样性对土壤微生物多样性的影响分析, 以及土壤微生物直接或间接作用于植物多样性和生产力的分析, 探讨了植物物种多样性与土壤微生物多样性之间的内在联系。针对当前植物与土壤微生物对养分循环的调控机制的争论, 提出植物凋落物是调节植物与土壤微生物养分循环的良好媒介, 植物与土壤微生物的共同作用对维持整个生态系统的稳定性具有重要意义。也指出了目前在陆地生态系统地上、地下研究中存在的不足和亟待解决的问题。     

林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响研究进展

林火干扰是森林生态系统特殊而重要的生态因子,可改变生态系统的养分循环与能量传递。研究林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响,有助于理解森林生态系统中土壤碳固持和碳循环过程,为制定科学合理的旨在减缓全球变化的林火管理策略具有重要意义。从4个方面阐述了林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响及内在机制:分别从大尺度和小尺度两个方面阐述了林火干扰对土壤有机碳的影响及对森林生态系统碳循环与碳平衡的作用机制;探讨了不同林火干扰类型和林火干扰强度下,土壤活性有机碳对林火干扰的响应机制;阐明了林火干扰对土壤惰性有机碳的影响及作用机制;论述了林火干扰主要通过改变土壤有机碳的输入和输出过程进而影响土壤有机碳的稳定性及内在机制。最后提出了提高林火干扰对森林生态系统土壤有机碳影响定量化研究的4种路径选择:(1)全面比较研究不同林火干扰类型对土壤有机碳循环及其碳素再分配过程的功能特征;(2)进一步阐明林火干扰通过改变植被结构进而影响土壤生物群落结构,剖析土壤碳库循环的内在机制;(3)完善不同时空尺度下林火干扰对森林生态系统土壤碳库周转过程的定量化研究;(4)加强不同林火干扰类型土壤碳库稳定性差异的研究。