为探究灌丛引入对荒漠草原土壤有机碳稳定性的影响,选取近40年的典型草原-灌丛镶嵌体(荒漠草地,草地边缘,灌丛边缘、灌丛地)为研究对象,开展荒漠草原向灌丛人为转变过程野外原位观测结合室内培养的土壤有机碳矿化及其对降水变化(+40％、+20％、CK、-20％、-40％)的响应特征研究,主要结果如下:荒漠草原人为灌丛转变的过程中土壤有机碳、全氮和全磷含量显著降低;土壤有机碳累积矿化量、碳矿化速率、碳矿化及微生物代谢熵均随着转变过程呈上升趋势,且灌丛地较荒漠草地分别增加了 26.6％、27％、25.8％和26.8％;土壤潜在可矿化有机碳量随转变波动上升,灌丛地显著高出荒漠草地31.55％;转变样地在不同降水梯度下土壤有机碳矿化速率呈下降趋势,但灌丛地、灌丛边缘土壤有机碳矿化始终高于荒漠草地和草地边缘地,其中灌丛地与灌丛边缘有机碳矿化对降水降低响应更加敏感和积极,结果表明荒漠草原向灌丛转变过程增强了土壤有机碳微生物矿化的同时,还提高了其应对干旱的能力,这种能力或许是以更高的微生物代谢熵和二氧化碳通量为代价.

增温通过改变微生物生物量和微生物代谢状况影响土壤微生物呼吸.然而,有关亚热带地区土壤微生物呼吸如何响应长期土壤增温尚不清楚.以增温7年后的杉木人工林为研究对象,比较增温对杉木人工林土壤微生物呼吸和微生物代谢熵的影响.结果表明:(1)增温后,微生物生物量碳在8月份和12月份分别降低了 32.1％和59.8％(P＜0.05).(2)增温后土壤基础呼吸与底物诱导呼吸与对照相比均无显著差异;水分添加后,与基础呼吸相比,增温和对照的土壤呼吸在8月显著增加了 38.3％和104.8％;葡萄糖添加后,增温和对照的底物诱导呼吸在8月份分别显著增加了 113.1％和152.9％,在12月份分别显著增加了118.0％和160.9％(P＜0.05).(3)增温后,微生物代谢熵在12月显著增加了 127.7％,8月无显著变化(P＜0.05).(4)在增温和对照处理中,微生物代谢熵与可溶性有机碳和微生物生物量碳含量呈负相关,与土壤含水率正相关(P＜0.05).研究结果表明,土壤增温7年后碳的可利用性和水分的降低是影响杉木人工林土壤微生物呼吸的重要因素.

为探讨桂林会仙喀斯特湿地芦苇植物群落土壤养分垂直变化趋势和微生物活性特征,测定0～ 80 cm剖面土壤碳、氮、磷含量,微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)以及基础呼吸(BR)、呼吸势(PR)、微生物熵(qMB)和代谢熵(qCO2)等微生物活性指标,分析土壤养分含量与微生物活性特征的相关性.结果表明:(1)土壤总碳(TC)、有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全氮(TN)、有机氮(Org-N)均随着土壤深度的增加而减少,土壤速效氮(AN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、全磷(TP)、速效磷(AP)、有机磷(Org-P)和无机磷(Inorg-P)含量在下层土壤中有所波动;SOC占TC含量比例较高,Org-N在TN中所占比例较大,Inorg-P含量略高于Org-P含量;(2) MBC、MBN、MBP主要集中在0～ 30 cm土层,且随剖面深度的增加,三者均逐渐降低,且土壤MBC与SOC、MBN与TN、MBP与TP均呈极显著正相关关系(P＜0.01);(3)BR和PR均随土壤深度的增加而显著降低,而qMB随着土层深度的增加先升高再降低,qCO2的垂直变化整体呈下降趋势,但在中间土层间有所波动;(4)会仙喀斯特湿地芦苇群落土壤养分和微生物活性各指标之间均呈极显著正相关关系,土壤微生物活性特征是反映会仙喀斯特湿地土壤质量状况的重要指标.

可溶性有机质(Dissolved organic matter,DOM)作为土壤可溶性有机碳的重要来源,进入土壤之后通过改变土壤微生物数量和活性影响土壤矿化.DOM输入对土壤微生物呼吸和熵值的研究多集中在表层土壤,但对深层土壤微生物呼吸和熵值的影响关注较少.通过室内培养实验(120 d)研究米槠(Castanopsis carlesii)鲜叶DOM添加对表层土壤(0-10 cm)和深层土壤(40-60 cm)微生物呼吸及其土壤代谢熵和微生物熵的影响,为揭示DOM输入对亚热带森林土壤碳过程的影响提供理论依据.结果表明,在培养第1天,添加DOM的表层和深层土壤CO2瞬时排放速率均显著高于对照(P＜ 0.001),分别是对照(不添加DOM)的3.58倍和6.93倍,之后显著下降.就累积排放量而言,无论是DOM添加处理还是对照,表层土壤显著大于深层土壤;在米槠鲜叶DOM添加后,表层土壤累积排放量显著大于对照的表层土壤(P＜0.001),但DOM添加处理深层土壤累积排放量与对照的深层土壤无明显差异.就微生物生物量碳而言,表层土壤微生物生物量碳含量在培养期问显著大于深层土壤.在整个添加DOM培养期间,表层土壤微生物生物量碳含量显著大于表层对照土壤,深层土壤微生物生物量碳含量显著大于深层对照土壤(第3天除外).培养结束时(120 d),米槠鲜叶DOM添加处理下,表层土壤和深层土壤有机碳含量与第3天相比分别减少26％和19％.米槠鲜叶DOM添加处理后的深层土壤代谢熵(qC02)显著低于对照的深层土壤和DOM添加处理的表层土壤qC02(P＜0.001),说明外源DOM进入深层土壤后提高了土壤微生物对碳的利用效率.米槠鲜叶DOM添加处理后的深层土壤微生物熵是培养第3天的1.58倍,显著大于培养初期(P＜0.05),而DOM添加处理的表层土壤、对照的表层土壤与深层土壤的微生物熵分别是培养第3天的68％、79％和21％,说明DOM添加提高了深层土壤质量.

以桂林会仙喀斯特湿地8种植物群落为研究对象,分析了群落土壤含水率、pH、土壤养分(有机碳SOC、全氮TN、全钾TK、速效氮AN、速效钾AK)和微生物活性指标(微生物生物量碳MBC、微生物生物量氮MBN、土壤基础呼吸BR、土壤呼吸势PR、微生物熵qMB和代谢熵qCO2)的变化及其相互关系,探讨水位梯度下不同植物群落类型对土壤养分和微生物活性特征的影响.结果表明:(1)会仙湿地大部分植物群落土壤pH呈弱碱性,含水量随着土层的加深而降低,且土壤pH值和含水量随着群落积水深度的增加而升高;(2)各植物群落土壤有机碳、全氮、速效氮和速效钾含量在垂直剖面上均表现出随土壤深度的增加而减少的趋势;土壤微生物生物量碳氮含量(除铺地黍群落外)、土壤基础呼吸和呼吸势均随着土壤深度的增加而降低,且各土层之间差异显著(P<0.05),而土壤微生物熵和代谢熵在垂直剖面的分布并无明显规律;(3)8个植物群落中,华克拉莎群落的土壤有机碳、全氮、速效氮、速效钾和微生物生物量碳氮含量、土壤基础呼吸速率和呼吸势均最高;田间鸭嘴草群落的土壤微生物熵显著高于其它群落(P<0.05);(4)会仙湿地土壤微生物生物量碳氮、基础呼吸、呼吸势与土壤有机碳、全氮之间均呈极显著的正相关关系(P<0.01),微生物熵和全钾、速效氮均显著正相关(P<0.05),表明在水位梯度变化的驱动下,会仙喀斯特湿地不同植物群落土壤养分和微生物活性特征存在差异,土壤微生物活性特征反映了不同植物群落的环境适应和土壤质量的状况.

土壤微生物是反应土壤健康状况最敏感的生物学指标,溴甲烷残留不仅消耗臭氧层,影响生态平衡,还会造成土壤质量恶化和微生物群落结构的变化.为明确溴甲烷对农田土壤微生物群落结构及生态过程的影响,以兰州市红古区连续两年种植草莓的土壤为研究对象,测定熏蒸剂溴甲烷处理后土壤微生物量碳、基础呼吸、诱导呼吸和微生物代谢熵等相关指标,并运用磷脂脂肪酸法(PLFA)测定不同类群微生物的变化.结果表明:经溴甲烷熏蒸处理至培养结束(第90天)时土壤微生物基础呼吸和诱导呼吸分别下降0.6％和16.2％,并且与对照皆差异显著(P＜0.05);微生物量碳培养结束时与对照差异显著(P＜0.05),且减少5.6％;总体上微生物基础呼吸、诱导呼吸和微生物量碳都呈现先下降后逐渐恢复的趋势;微生物代谢熵(qCO2)第15天后都高于对照,但随培养时间延长,处理组和对照组的差值逐渐降低,到培养期结束仍未恢复,相差5.1％.溴甲烷对土壤细菌(B)、真菌(F)和革兰氏阴性菌(GN)、革兰氏阳性菌(GP)都存在抑制作用;B、F含量分别较对照下降0.64％-8.72％、0.03％一5.61％;到培养期结束时,GP的量下降0.26％,GN下降10.42％,GN对溴甲烷的敏感性强于GP,且GN的变化具有滞后性;溴甲烷处理降低了B/F和GN/GP,但对GN/GP影响比对B/F的更为显著,土壤微生物压力指数增加.综上,说明施用溴甲烷使农田土壤微生物受到了长期的、持续的外源压力胁迫,溴甲烷在对有害微生物杀死的同时,也对有益微生物造成极大的伤害,不利于土壤优良性状的保持,使土壤中微生物丰富度和多样性下降.因此,实际应用中应充分考虑溴甲烷对土壤微生物带来的负面影响.

造林是固碳(C)的有效方法之一,也深刻地影响土壤氮(N)动态,然而不同造林树种对土壤C和N收支的影响及其机制尚不明确.本研究采用同质园试验方法,测定了东北温带水曲柳、胡桃楸、白桦、落叶松和樟子松5个主要造林树种造林后第3年和第11年表层(0～10 cm)土壤有机C(Csoil)、全N含量(Nsoi1)的变化,以及植被特性和土壤微生物等相关因子,探究了不同树种造林对土壤C、N的影响及驱动因子.结果表明:试验期间,5个树种纯林的Csoil、Nsoil均显著降低,Csoi1与Nsoi1变化量呈显著正相关,并且Csoil减少速率(2.6％·a-1 ～4.8％·a-1)显著高于Nsoil减少速率(0.8％·a-1 ～2.8％·a-1).阔叶树种纯林Csoil、Nsoi1减少量显著小于针叶树种纯林.树种特征、微生物特性共同解释了Csoi1变化率的68.5％、Nsoil变化率的90.9％,Csoil、Nsoi1变化率随凋落叶C/N及微生物生物量C/N的增大而减小,但随着细根生物量、微生物生物量C及微生物获取C酶与获取N酶之比的增加而增大;Nsoil变化率还随凋落叶产量及微生物代谢熵的增大而减小.这些温带人工林在造林11年后表层土壤C、N含量显著减少,而树种间的不同变化强度主要是由树种特征和土壤微生物特性的差异引起的.

研究不同海拔土壤有机碳矿化对深入认识不同海拔森林土壤有机碳动态变化具有重要意义.本文以武夷山低海拔和高海拔森林土壤为研究对象,通过室内模拟其在各自年平均气温(17、9℃)条件下的矿化培养试验,探讨土壤有机碳矿化特征的差异.结果表明:培养126 d后,尽管高海拔森林土壤的有机碳含量显著高于低海拔森林土壤,但低海拔和高海拔森林土壤在各自环境温度背景下的有机碳累积矿化量并无显著差异.一级动力学方程均能较好地模拟高低海拔森林土壤有机碳矿化特征,高海拔和低海拔森林土壤有机碳潜在矿化量(CP)和矿化速率常数均无显著差异,但低海拔土壤CP/SOC值和矿化率显著高于高海拔土壤,表明在环境温度背景下,低海拔土壤固碳能力低于高海拔土壤.随着培养时间增加,高海拔土壤微生物生物量碳和微生物熵显著高于低海拔土壤,表明高海拔土壤微生物的碳同化量高于低海拔土壤微生物,有利于有机碳的积累.高海拔森林土壤中的β-葡萄糖甘酶和纤维素水解酶高于低海拔森林土壤,说明高海拔土壤微生物可能更多地分解活性碳.未来气候变暖可能暗示着会降低高海拔土壤有机碳固碳能力和微生物碳利用效率,从而导致土壤有机碳储量下降.

土壤微生物呼吸及其熵值是表征土壤质量变化的敏感性指标,不仅能衡量土壤微生物碳利用效率,还能揭示土壤有机碳的变化.通过比较亚热带米槠天然林转换为马尾松人工林和杉木人工林后土壤微生物呼吸速率、土壤微生物生物量碳以及微生物熵、代谢熵的差异,研究亚热带森林转换对土壤微生物碳利用效率的影响.研究结果显示:(1)与天然林相比,马尾松人工林0-10 cm土壤微生物呼吸速率上升32％ (P＜0.05),马尾松人工林和杉木人工林10-20 cm土壤微生物呼吸速率分别下降26％和24％(P＜0.05);但在20-40 cm土层和40-60 cm土层,天然林土壤微生物呼吸速率比马尾松人工林分别高50％和43％;(2)马尾松人工林和杉木人工林0-10 cm土层土壤微生物生物量碳(MBC)比天然林分别下降19％和40％(P＜0.05),但马尾松人工林10-20 cm土壤MBC上升29％(P＜0.05);(3)人工林表层土壤微生物熵与天然林没有显著差异,但与天然林相比,杉木人工林和马尾松人工林20-40 cm土层土壤微生物熵分别下降51％和71％ (P＜0.05),40-60 cm分别下降52％、66％(P＜0.05).土壤微生物代谢熵的变化主要发生在0-10 cm土层,马尾松人工林和杉木人工林分别比天然林增加38％和29％(P＜0.05),在深层土壤,3种林分微生物代谢熵没有显著差异.亚热带森林转换导致表层土壤微生物碳利用效率下降,深层土壤易分解碳在总有机碳库中占比下降,有机碳可利用程度降低.

为深入了解高寒草甸退化对草原生态系统中土壤微生物碳氮量、土壤氮矿化及土壤微生物相关酶的变化特征,以祁连山东缘4个不同退化程度(未退化、轻度退化、中度退化和极度退化)的高寒草甸为研究对象,采集了深度为0-10 cm的土壤样品,并对不同退化程度高寒草甸中植物因子、土壤理化性质、土壤氨化速率、土壤硝化速率、土壤净氮矿化速率以及转化氮素的相关酶和微生物进行了相关研究.结果 表明:(1)随退化程度的加剧,高寒草甸土壤中氨化速率和净氮矿化速率逐渐降低,硝化速率逐渐升高;(2)高寒草甸的退化降低了有关氮素转化相关酶,如土壤蛋白酶、脲酶、亮氨酸氨基肽酶的活性,而β-乙酰葡糖胺糖苷酶的活性呈先下降后上升趋势,且在极度退化草地活性最高;(3)随退化程度的加剧,高寒草甸土壤中微生物生物量碳和氮的含量逐渐降低,同时土壤基础呼吸、土壤微生物熵和代谢熵的指数也呈下降趋势.RDA分析表明,高寒草甸中氨化速率和净氮矿化速率与微生物生物量碳、微生物生物量氮、土壤基础呼吸、植物高度、植被盖度、地上生物量、蛋白酶、脲酶以及亮氨酸氨基肽酶呈显著正相关,而硝化速率则表现为负相关性.因此,高寒草甸退化对土壤微生物特性以及氮素转化和循环具有重要影响.