本研究以福建三明森林生态系统国家野外观测研究站的青冈、格氏栲、马尾松、闽楠、香樟林5种人工林为研究对象,分析了 0～10 cm表层土壤微生物呼吸对葡萄糖添加的代谢响应.结果表明:与对照相比,葡萄糖添加使土壤微生物呼吸提高了 82.4％～349.5％,不同树种间差异显著.对照中,土壤微生物呼吸与微生物生物量、土壤有机碳及真菌/细菌有显著的相关关系,表明在没有活性碳供应时,微生物代谢受土壤有机碳含量的调控,且与土壤微生物生物量和群落结构有关.在葡萄糖添加处理中,土壤微生物呼吸与土壤总氮、溶解性有机氮和矿质氮呈显著正相关,表明当活性碳供应充足时,微生物代谢主要受土壤氮含量及其有效性制约.微生物呼吸的代谢响应,即葡萄糖添加处理与对照土壤微生物呼吸的比值,主要受土壤碳氮比的影响,呈现出微生物代谢响应随土壤碳氮比的下降而升高.此外,土壤pH也是影响微生物代谢响应的重要因素.土壤碳、氮含量及有效性对微生物呼吸的影响依赖于微生物是否受碳限制,土壤碳含量调控了碳限制时的微生物呼吸,而土壤氮含量及有效性调控了碳限制解除后的微生物呼吸.

低甲烷排放转基因水稻是实现水稻低碳生产的理想材料.土壤微生物驱动了稻田甲烷的产生,低甲烷排放转基因水稻土壤微生物群落组成的变化不仅影响稻田甲烷排放,也关系到土壤微生态系统的稳定性.通过对细菌16S rRNA基因、真菌ITS基因的高通量测序及mcrA、nifH、amoA和nirS等功能基因的荧光定量PCR,分析了低甲烷排放转基因水稻(86R27-3)与野生型水稻(MH86)土壤微生物群落间的差异.结果显示:稻田土壤细菌群落的α-多样性指数在86R27-3与MH86间无明显差异,且仅在水稻分蘖期86R27-3的土壤真菌群落多样性指数Shannon、Simpson及均匀度指数Pielou_e显著高于MH86(P＜0.05);β-多样性分析表明土壤细菌或真菌群落组成在86R27-3与MH86间均没有显著差异;但在水稻齐穗期:86R27-3 土壤的放线菌门(Actinobacteria)、罗泽真菌门(Rozellomycota)的相对丰度显著高于MH86(P＜0.05),而酸杆菌门(Acidibacteria)、子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度显著低于MH86(P＜0.05);土壤微生物群落功能预测显示,86R27-3 土壤氮、硫和锰代谢细菌功能群丰度显著低于MH86(P＜0.05),如分蘖期的土壤硝酸盐还原、硝酸盐呼吸、硫代硫酸盐呼吸及硫呼吸,齐穗期和成熟期的好氧亚硝酸盐氧化及成熟期的锰氧化等;与MH86相比,86R27-3的土壤真菌功能群丰度有减有增,如在水稻不同生育期内的其未定义腐生物银耳目、嗜热囊菌科、镰刀菌属及韦斯特氏菌功能群丰度显著降低(P＜0.05),而其分蘖期的动物内共生体腐生生物毕赤酵母属和未定义腐生物马勃科功能群丰度显著提高(P＜0.05).定量PCR分析表明86R27-3 土壤中的产甲烷细菌mcrA基因丰度显著低于MH86(P＜0.05),同时,土壤固氮菌nifH基因、氨氧化细菌amoA基因及反硝化细菌nirS基因的丰度在86R27-3土壤中也显著降低(P＜0.05).综上所述,低甲烷排放转基因水稻(86R27-3)对土壤细菌或真菌的群落组成没有影响,但可引起主要细菌或真菌种类的相对丰度及某些细菌或真菌功能群丰度发生变化,并显著降低了稻田土壤微生物功能基因丰度.

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.

微塑料(microplastics,MPs)作为一种新兴污染物,广泛存在于土壤中,并不断迁移转化,对土壤生态系统和生物多样性产生潜在风险.为了全面评估土壤MPs的环境风险,加强MPs污染的风险管控,讨论了土壤环境中MPs的类型,系统阐述了土壤MPs的载体效应和迁移行为,并从微生物、植物、动物以及人类四个方面综述了土壤MPs的潜在风险.土壤中MPs并不是单独存在的,MPs的潜在风险一方面来自其本身(颗粒和添加剂)的生物毒性,另一方面是其对共存污染物(有机污染物、重金属和致病菌等)的载体效应.在非生物(淋溶、重力)和生物等作用下,土壤中的MPs时刻都在经历着复杂的迁移过程,从而加剧了其对土壤生态系统的影响.由于粒径小,MPs很容易进入食物链并层层传递,从而对不同营养级生物的正常生理活动产生不利影响,包括影响土壤动植物的新陈代谢,生长,发育和繁殖.此外,MPs不仅在环境中存在,而且也在人体中被发现.MPs可通过饮食、呼吸或皮肤接触等途径进入人体,从而对人体可能产生一系列不良反应.虽然目前仍没有足够的证据证明MPs对人体的直接危害,但其潜在风险仍不容忽视.探讨了土壤MPs污染治理的策略,并对未来土壤微塑料污染的研究方向和重点进行了展望.研究将有助于加深入们对土壤微塑料污染的认识,并为更好地开展微塑料的毒理效应研究和风险评估提供科学线索和理论参考.

为探究氮沉降增加背景下高寒草甸土壤呼吸干湿季变化及其与环境因子的耦合关系,选择纳帕海典型退化草甸疏花早熟禾群落,设置对照(0 g·m-2·a-1)、低氮(5 g·m-2·a-1)、中氮(10 g·m-2·a-1)和高氮(15 g·m-2·a-1)4个水平的氮沉降模拟试验,分析氮沉降引起的地上生物量、植物多样性及土壤理化性质变化对土壤呼吸的影响.结果表明:不同氮沉降处理均显著促进草甸土壤呼吸,干季和湿季土壤呼吸速率相较于对照分别增加了 21.9％～53.9％和27.3％～51.2％,且在中氮处理下增幅最大.氮沉降显著提升草甸地上生物量(增幅达52.2％～66.4％);植物多样性随氮添加总体呈降低趋势,湿季最大降幅(13.5％～24.2％)出现在高氮处理.氮沉降显著增加土壤铵态氮、有机质、微生物生物量碳氮、温度和含水率(增幅为14.3％～333.5％),氮沉降显著降低土壤pH(减幅达9.0％～34.6％).结构方程表明,植物生物量及Shannon多样性、微生物生物量和温湿度对土壤呼吸具有显著促进作用,土壤容重则表现为抑制效应;氮库和pH对土壤呼吸变化的解释率分别为55.7％和45.1％,是影响土壤CO2排放的主导因素.短期大气氮沉降主要通过改变土壤pH及氮库组成而促进高寒退化草甸土壤呼吸.

矿质土壤呼吸是土壤碳库向大气排放CO2的重要通道,在调节陆地生态系统碳循环方面发挥着关键作用,对土壤温度、土壤湿度和底物有效性等环境因子有较高的敏感性.环境因子的变化会影响矿质土壤呼吸及其温度敏感性,从而改变全球碳平衡.本文综述了环境因子对矿质土壤呼吸及其温度敏感性的影响研究成果,发现在不同生态系统中环境因子对矿质土壤呼吸及其温度敏感性的影响具有显著差异,指出环境因子能够直接影响矿质土壤呼吸及其温度敏感性,同时也能通过影响土壤微生物生物量和群落结构、胞外酶活性和土壤孔隙度等对矿质土壤呼吸及其温度敏感性产生间接影响.基于综述结果,提出了以后的研究展望:1)结合多种观测技术和方法研究环境因子对矿质土壤呼吸的影响;2)探究多种环境因子的交互作用对矿质土壤呼吸的影响;3)在不同时间和空间尺度上开展环境因子对矿质土壤呼吸影响的研究;4)完善矿质土壤呼吸及其温度敏感性的预测模型;5)加强新近光合产物的底物供应对矿质土壤呼吸及其温度敏感性调控作用的研究.

探究轻度火烧后土壤呼吸及其组分变化规律以及对林地环境因子的影响,可为林火干扰条件下滨海沙地人工林土壤碳排放估算提供科学依据.该研究以闽南沿海地区木麻黄(Casuarina equisetifolia)人工林火烧迹地和对照样地为研究对象,于2019年9月至2020年8月采用LI-8100土壤碳通量自动测量系统测定土壤总呼吸速率(Rs)和异养呼吸速率(RH),同时测定10 cm深处的土壤温度(T10)、湿度(W10)和0-10 cm土壤的物理化学性质,探讨轻度火烧对林地土壤Rs和RH以及非生物因子的影响.结果表明:火烧迹地土壤全年平均Rs和RH分别为(2.37±0.65)和(2.05±0.63)μmol·m-2·s-1,对照样地土壤全年平均Rs和RH分别为(2.86±1.08)和(2.51±1.08)μmol·m-2·s-1,火烧迹地与对照样地土壤呼吸速率及其组分存在显著差异.除对照样地土壤RH外,两块样地土壤呼吸速率及其组分与土壤温度呈极显著指数相关关系,与土壤水分的相关关系均未达到显著水平.土壤呼吸速率与土壤可溶性有机碳、土壤微生物生物量氮含量呈极显著正相关关系,与土壤可溶性有机氮含量呈显著正相关关系,与土壤微生物生物量碳含量呈显著负相关关系.轻度火烧对木麻黄人工林土壤呼吸及其组分均有抑制作用,说明林火干扰对森林生态系统土壤呼吸和碳循环具有重要影响.

据预测,内蒙古东部地区未来将出现氮沉降加剧和夏季降水增加的趋势,但大气氮沉降和降水增加都是不可持续的,增加强度可能减弱,也可能出现降低趋势.目前,历史氮、水输入停止后对生态系统的遗留效应尚不明确.本研究基于中国北方温带草原长达13年的氮、水添加实验平台,于处理第14年开始定向停止氮、水添加处理,探讨了历史氮、水添加在短期(2年)内对土壤理化性质和微生物学特性的遗留效应.结果表明:停止添加两年后,历史氮添加对铵态氮、硝态氮、可溶性有机碳、氮和速效磷等土壤养分指标的正向遗留效应消失;但对大部分土壤微生物学特性指标仍存在遗留效应,历史15 g N·m-2·a-1添加处理微生物生物量碳、土壤呼吸和碱性磷酸单酯酶活性分别降低73.3％、81.9％和70.3％,表明氮输入停止后微生物学指标的恢复比土壤养分指标慢,具有迟滞效应.相关分析和冗余分析表明,氮对微生物学特性的负向遗留效应与对土壤pH的负向遗留效应有关.历史水添加在处理停止两年后,对土壤pH、铵态氮、可溶性有机碳、氮等以及土壤呼吸、酶活性等仍表现出显著的遗留效应,并与氮沉降的遗留效应存在交互作用.研究结果对预测局域环境改善条件下草地生态系统功能和服务变化趋势及揭示退化草地恢复机制具有重要意义.

三源区分土壤呼吸组分是指将土壤呼吸区分为纯根呼吸、根际微生物呼吸和土壤有机质呼吸3个部分.土壤有机质呼吸、纯根呼吸和根际微生物呼吸是3种不同的生物学过程,这3种呼吸对环境变化具有不同的响应机制.区分土壤呼吸中由根系引起的自养和异养呼吸组分的研究对定量评价陆地生态系统碳平衡具有重要的意义.论述了三源区分土壤呼吸组分的意义、方法和应用,分析了不同条件下土壤呼吸组分区分的研究结果.实验室纯根和根际微生物呼吸占根源呼吸比重约为45％和55％;野外条件下约为60％和40％.最后对本研究未来的发展方向进行了展望.

土壤微生物呼吸的热适应性被认为是决定陆地生态系统对全球变暖反馈作用的潜在重要机制,可能显著改变未来的气候变化趋势,然而学术界对于这一机制是否真实存在尚有分歧.阐述了土壤微生物呼吸的热适应性概念,从证据、机理和争议3方面对已有研究进展进行了综述和分析.土壤微生物呼吸的热适应性是微生物在群落尺度上对温度变化的适应性,具有坚实的生物学与生态学理论基础,研究者们运用各类指标已在许多实验中证实土壤微生物物种及群落的呼吸过程能够在高温环境产生适应性变化.土壤微生物呼吸的热适应性机理涉及生物膜结构变化、酶活性变化、微生物碳分配比例变化和微生物群落结构变化等方面.关于土壤微生物呼吸热适应性的争议可能是由研究方法、微生物物种及环境条件的差异引起的.根据对已有研究的分析,认为土壤微生物呼吸的热适应性是真实存在的,未来的研究可进一步探索土壤微生物呼吸的热适应性机理,深入研究环境和全球变化对土壤微生物呼吸的热适应性影响,定量评估土壤微生物呼吸的热适应性对陆地生态系统反馈过程的影响.