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。     

三峡库区消落带4种适生植物根际与非根际土壤养分与酶活性特征研究

三峡库区消落带植被修复过程中,物种的更替对库区土壤的地球化学循环产生潜在影响。以三峡库区忠县石宝寨汝溪河消落带植被修复示范基地165-170 m海拔段人工种植狗牙根、牛鞭草、落羽杉以及立柳根际与非根际土为试验对象,探究其根际与非根际土壤的养分含量及酶活性差异,以阐明不同物种的生长适应性及其根际养分利用策略,比较不同物种对库区土壤的营养改良作用。结果表明：（1）三峡库区消落带4种适生植物根系活动导致根际与非根际土壤养分因子以及土壤酶活性产生差异,不同物种的栽植均在一定程度上使库区土壤营养条件得以改善;（2）碳、氮两种元素在4种适生植物根际土壤中发生不同程度的富集,但磷素与钾素在不同物种根际与非根际土壤之间的变化不一致;（3）蔗糖酶、脲酶以及酸性磷酸酶在4种适生植物根际土中均表现出一定程度的根际正效应（R/S>1）,且狗牙根对3种土壤酶的根际活化效果最为明显,其根际效应分别高达2.39、1.89和2.7;（4）在植物根系的调控下,根际土中有机质与氮素、磷素以及钾素的相关性更为显著,而非根际土壤中,仅钾素与有效氮、有效磷呈显著负相关,其余各土壤养分因子之间均无显著相关性;（5）与落羽杉和立柳两木本植物相比,狗牙根与牛鞭草两草本植物根际具有更为合理的养分调节模式,对库区土壤的改良效果更好。     

易分解有机碳输入量对武夷山不同林型土壤激发效应的影响

土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳储量库,其微小的变化也能使大气中CO₂浓度发生巨大的改变,植物来源碳的输入能通过激发效应促进或抑制土壤有机碳（SOC）的分解,对SOC的动态平衡产生影响。以武夷山三个林型（阔叶林、马尾松林、针阔混交林）土壤为研究对象,通过向土壤中添加不同量的¹³C标记葡萄糖（0、100、200、400 mg C/kg）研究易分解有机碳输入量对不同林型土壤激发效应的影响,并在此基础上探讨易分解有机碳输入量对土壤激发效应影响的作用机理。结果表明,葡萄糖输入对土壤激发效应的影响与葡萄糖输入量和林型有关。葡萄糖的输入均抑制了三个林型SOC的分解（即,呈现负的激发效应）。阔叶林土壤和针阔混交林土壤激效应强度随着葡萄糖输入量的增加而增加,而马尾松林土壤的激发效应强度对葡萄糖输入量的响应并不明显。然而在马尾松林土壤中由葡萄糖所引起的激发效应强度显著高于其他两种林型土壤。研究结果表明,易分解有机碳的输入可以抑制SOC的矿化,形成负激发效应,阔叶林土壤的激发效应强度与土壤可利用氮、葡萄糖添加量与微生物碳量比值有关,而针阔混交林与马尾松林土壤的激发效应强度分别与土壤中的放线菌和真菌有关。     

三江源区生态系统和土壤保持服务对未来气候变化的响应特征

气候变化条件下的生态系统响应特征对生态系统服务的提升和生态环境保护具有重要意义。现有气候变化评估多以全球或区域大尺度研究为主,不适合局地小尺度。以2015年为基准,根据局地特征改进了综合顺序分类系统（CSCS）,模拟了未来不同温室气体排放模式下三江源地区自然植被分布,同时分析了植被覆盖度及土壤保持功能的时空变化。研究结果表明：①在2080年的不同排放情境下,三江源地区的降水和气温增长主要发生在生长季（5—9月）和半湿润地区,其中,高排放情境的增幅最大（42.21 mm和4.93℃）;②三江源地区潜在自然植被主要由草地转化为森林,植被覆盖度和土壤保持服务在不同排放情境下均呈现由西北向东南增加的趋势,与水热规律一致,其中高排放情境的增幅最大,低排放最小;③ 利用三江源地区原生裸地演替特点和多年NPP改进的CSCS模型,模拟精度提高了24%。研究成果为局地小尺度生态系统气候响应特征提供了必要的手段和规律认识。     

增温和刈割对高寒草甸土壤呼吸及其组分的影响

评估土壤呼吸及其组分对增温等全球变化的响应对于预测陆地生态系统碳循环至关重要。本研究利用红外线辐射加热器(Infrared heater)装置在青藏高原高寒草甸生态系统设置增温和刈割野外控制实验。通过测定2018年生长季(5—9月)土壤呼吸和异养呼吸,探究增温和刈割对土壤呼吸及其组分的影响。研究结果表明：(1) 单独增温使土壤呼吸显著增加31.65% (P<0.05),异养呼吸显著增加27.12% (P<0.05),土壤自养呼吸没有显著改变(P>0.05);单独刈割对土壤呼吸和自养呼吸没有显著影响(P>0.05),单独刈割刺激异养呼吸增加32.54% (P<0.05);(2) 增温和刈割之间的交互作用对土壤呼吸和异养呼吸没有显著影响(P>0.05),但是对自养呼吸的影响是显著的(P<0.05),土壤呼吸和异养呼吸的季节效应显著(P<0.05);(3)土壤呼吸及其组分与土壤温度均成显著指数关系,与土壤湿度呈显著的正相关关系(P<0.05),处理影响它们的响应敏感性。本研究表明青藏高原东缘高寒草甸土壤碳排放与气候变暖存在正反馈。     

不同生态保护地植物特征和土壤性质的对比研究——以黑河中游湿地为例

选择黑河中游张掖国家湿地公园和张掖黑河湿地国家级自然保护区为研究对象,对比分析了植物组成、物种多样性、植物生长状态、土壤养分、土壤理化性质及植物土壤间关系。结果显示:湿地公园的植物高度和土壤养分含量(有机碳、全氮、速效氮、全磷、速效钾)显著高于自然保护区,土壤理化性质含量(容重、pH)显著低于自然保护区,表明湿地公园有利于植物生长发育、土壤养分固存、改善土壤质地;自然保护区的植物科属种、多度、物种多样性(多样性指数、丰富度指数、均匀度指数)显著高于湿地公园,表明自然保护区有利于维持植物多样性;两种保护地中影响植物多样性的土壤因子不同,湿地公园物种多样性与土壤全磷和速效磷显著正相关,而自然保护区物种多样性与土壤盐分显著负相关。     

喀斯特槽谷典型植物水分利用效率对隧道建设的响应

隧道工程建设对喀斯特槽谷地区地下水循环系统的破坏,引起地下水位下降,可能影响周围生态环境。依托重庆中梁山喀斯特槽谷,对旱、雨两季隧道影响区与无隧道影响区不同深度土层(0—20 cm、20—40 cm)土壤含水量以及典型植物(常绿乔木、常绿灌木)瞬时水分利用效率(InstantaneousWater Use Efficiency,WUE_(inst))进行对比分析,探究植物水分利用效率对隧道建设的响应。结果表明:在不同影响区,主要由蒸发与降水引起土壤含水量在垂直和季节变化上的趋势相似,但隧道影响区土壤含水量在旱、雨两季均显著高于无隧道影响区;不同影响区植物WUE_(inst)存在明显的季节差异,旱季各植物种WUE_(inst)显著高于雨季。而旱、雨两季隧道影响区植物叶片WUE_(inst)显著高于无隧道影响区;此外,植物WUE_(inst)与土壤含水量相关性分析结果表明,不同影响区植物WUE_(inst)与土壤含水量均呈显著负相关关系,但相对于无隧道影响区,隧道影响区植物WUE_(inst)对土壤含水量的变化更加敏感。以上结果表明,隧道建设导致地下水资源漏失,土壤含水量减少,进而改变了植物水分利用特性,使隧道影响区植物种应对一定程度的水分胁迫时采取更保守的水分利用策略。     

南亚热带混交人工林树种丰富度与土壤微生物多样性和群落组成的关系

森林植被与土壤微生物作为森林生态系统的重要组成部分,它们之间的相互作用对维持森林生态系统功能和稳定性起着重要作用。以往多在天然草地和森林生态系统开展植物多样性与土壤微生物多样性关系的研究,但人工构建的多树种混交林生态系统中树种多样性对土壤微生物群落组成的影响及其机制尚不完全清楚。因此,以南亚热带人工块状造林后自然恢复形成的多树种混交森林生态系统为研究对象,利用高通量测序技术研究了随树种丰富度（1-10种）变化土壤细菌和真菌多样性的变化规律及主要影响因子。结果表明,随树种丰富度增加,土壤真菌α多样性显著提高,但土壤细菌α多样性差异不显著;不同树种丰富度梯度间土壤细菌和真菌的群落结构组成均差异显著;Pearson相关分析表明土壤细菌α多样性主要受土壤pH和土壤铵态氮影响,而土壤pH和有效磷是土壤真菌α多样性的主要影响因子。距离冗余分析（db-RDA）表明,对土壤细菌群落组成产生显著影响的环境因子分别为土壤pH、硝态氮和芳香碳组分,而土壤有机碳、硝态氮、细根生物量和氧烷基碳组分是影响土壤真菌群落组成的主要因子。本研究的结果说明了南亚热带人工林不同树种混交后形成多树种混交林生态系统的过程中,树种组成和多样性的变化通过改变土壤理化性状和根系生物量对土壤微生物群落组成有显著影响,为制定该区域人工林通过树种丰富度合理组配调控提升地下生物多样性及生态系统功能的经营策略提供了科学依据。     

樟子松人工林营建对土壤颗粒组成变化的影响

植被恢复是退化生态系统的主要恢复措施,也是人类改善区域生态环境较为重要和直接的活动。目前,针对不同植被恢复方式对干旱半干旱地区土壤理化性质及生物特征开展了大量研究。然而,关于科尔沁沙地樟子松人工林营建对土壤颗粒组成变化的影响却鲜有报道。因此,以辽宁省章古台地区不同生长阶段(包括幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林)的20块樟子松人工林样地为研究对象(以临近的7块天然草地为对照),研究了沙地樟子松人工林营建对0—100 cm土层土壤颗粒组成变化的影响。结果表明:沙质草地营建樟子松人工林后,不同土层土壤细颗粒(0.05 mm)含量均呈增加趋势,并且在0—10 cm层增加趋势明显,随土层深度增加土壤细颗粒增加量逐渐降低(除幼龄林外),但樟子松林地土壤颗粒组成仍以砂粒为主,土壤粘粒和粉粒含量极低(仅占5%左右)。随着樟子松人工林林龄的增加,土壤细颗粒变化量在0—10 cm层逐渐升高,而在10—100 cm层并无显著变化趋势。土壤细颗粒含量的变化在10—100 cm层与土壤含水量呈显著正相关,在0—10、20—40 cm和80—100 cm层与土壤全钾极显著负相关,在20—60 cm层与土壤有机碳呈显著正相关,在10—40 cm和80—100 cm层分别与土壤全磷呈显著正相关和负相关。综上所述,樟子松人工林营建可有效提高土壤细颗粒含量且在土壤表层效果明显,但短期内并不会使土壤颗粒组成发生显著变化,樟子松林改善土壤颗粒组成的同时也会使其他土壤因子发生相应的变化。     

火干扰强度对亚热带四种森林类型土壤理化性质的影响

火干扰是通过改变土壤理化性质而影响土壤生态系统功能的重要因素之一。探讨火干扰强度对不同森林类型下土壤理化性质的影响,为利用火干扰促进林分更新及经营提供理论指导。2014年在湖南省株洲市和湘潭市4种次生林(枫香次生林、马尾松-木荷混交林、杉木-木荷混交林及檫木-杉木混交林)内设置16块20 m×20 m样地进行试验,研究了火干扰强度(对照、低强度、中强度、高强度火烧)和林分类型对土壤容重(BD)、土壤斥水性(SWR)、有机质(SOM)、pH、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)的影响。通过描述性统计分析、单因素方差分析和Fisher LSD检验研究各土壤性质在同一林分不同火干扰间,以及同一火干扰下不同林分间的显著性差异和变化趋势(P0.05)。研究发现BD、SWR、pH、TK都随火强度的增大呈上升的趋势,而SOM、TP随火强度增大而减少,TN则随火强度增大没有规律性变化。在同一林分内与对照组相比,低强度火烧对BD、SWR、pH和SOM的影响不显著,中强度有一定影响,而高强度火烧影响显著;而TN、TP、TK在火烧前后均无显著性差异。火干扰后,TN和TP在同一火强度下不同林分间均存在显著性差异(P0.05),而BD、pH值和TP在同一林分内不同火强度间均存在显著性差异(P0.05)。BD、SOM、pH、TK在枫香次生林内普遍显著大于其他林分。结果说明火干扰强度和林分类型在影响土壤理化性质方面起着重要作用。高强度火干扰对土壤性质影响最大,枫香次生林中土壤理化性质与其他混交林相比普遍存在显著性差异。BD、pH和TP受火强度影响显著,BD、SOM、pH、TN、TK和TP受林分类型影响显著。