根系分泌物是植物与土壤进行物质能量交换和信息传递的重要媒介,同时也是植物响应外界环境变化的主要形式,在土壤碳库动态中发挥着重要作用.伴随着全球气候变化而频繁发生的极端干旱事件对植物地上地下生长过程都产生了深刻的影响,然而,由于根-土界面交互作用的复杂性,以及根系分泌物收集手段与装置的不完善,人们对干旱条件下根系分泌物及其介导的根际激发效应的响应及机制的认知尚存在较大的局限性.基于此,该文结合国内外生态学领域的研究前沿动态,论述了干旱下植物根系分泌物数量及组分的动态变化,重点阐述了根系分泌物介导的根际激发效应及其机制,在此基础上展望了未来根系分泌物研究中的重点关注方向,以期为未来全球气候变化条件下土壤碳汇的评估提供科学依据.

新疆野苹果(Malus sieversii)根际固氮菌(NFB)、解磷菌(PSB)及解钾菌(KSB)的定植数量,不仅影响植物补充养分,促进生长,也可以诱导系统抗性(ISR),提高抗性抑制疾病.因此,探讨新疆野苹果根际NFB、PSB及KSB定植数量对生理指标的影响,确定野苹果生长较好时根际微生物数量,对研究其氮、磷、钾的吸收至关重要.该研究以新疆8个自然种群新疆野苹果根际土壤及植株叶片为实验材料,分离NFB、有机解磷菌(oPSB)、无机解磷菌(iPSB)及KSB,估算功能菌株数量并测定新疆野苹果叶片生理指标,叶片及土壤中氮、磷、钾含量.结果表明:(1)8个种群新疆野苹果根际4种功能菌株定植总数量存在极显著差异,其中新源县野果林种群oPSB、iPSB、NFB及4种功能菌株定植总数最多,巩留县那孜工队种群KSB定植数量最多;(2)4种功能菌株总数、PSB数量与新疆野苹果叶片过氧化氢酶活性呈正相关关系,KSB数量与其叶片氧化还原酶活性呈正相关关系.证明新疆野苹果根际氮、磷、钾活化菌定植数量与其抗性存在关联.(3)在营养生长方面,oPSB数量反映叶片磷和氮含量;iPSB数量反映土壤磷含量,oPSB和NFB数量反映土壤氮含量;KSB数量反映叶片和土壤钾的含量;(4)定植数量分别在7.08 × 104 CFU·g-1(NFB)、2.7 × 107CFU·g-1(PSB)及4.98 × 105CFU·g-1(KSB)时,叶片及土壤中氮、磷、钾含量较高,新疆野苹果营养生长最佳.研究确定了野苹果生长较好时根际微生物数量,以期为施用功能菌株的接种量提供理论依据,也为新疆野苹果林生态保护提供参考.

对"探究土壤微生物的分解作用"实验方案进行创新设计,优化后的方案实验周期缩短,实验材料分解过程可直接观察,实现土壤样品处理前、后微生物数量和样品分解残留率的定量比较,提高实验的可行性和科学性.

研究高原泥炭沼泽土壤微生物群落组成特征及空间分布格局对于维护高原湿地生态系统结构及功能稳定性具有重要意义.本研究采集若尔盖核心保护区内沿土壤水平与垂直方向分布的50个土壤样本,利用高通量测序技术,并结合Mantel检验和多元回归模型(MRM)多元回归统计方法,对土壤细菌和真菌群落多样性、局域尺度上的群落结构相似性空间分布特征及驱动因子进行分析.结果表明:若尔盖高原泥炭沼泽土壤中的优势细菌和真菌类群分别为绿弯菌门(在水平和垂直方向上分别占总细菌群落的33.2％和25.1％)和子囊菌门(54.7％和76.4％);水平和垂直方向的微生物群落结构相似性均随采样点空间距离增加而逐渐降低,垂直方向上细菌和真菌群落的周转速率分别为水平方向的8.8和8.6倍.依据群落相对丰度将微生物划分为6个分类群,随着群落中稀有种数量的增加,群落距离衰减斜率降低,且条件性稀有或优势物种(CRAT)与总微生物群落的空间分布特征最相似.Mantel分析表明,土壤有机碳、总氮和活性磷是影响水平方向上细菌和真菌群落分布的关键驱动因子,而土壤有机碳、活性碳、pH值和土壤容重则是决定微生物垂直方向分布的主要因子.MRM分析进一步表明,土壤理化指标和空间距离均对微生物群落构建具有极显著影响,其中土壤因子对微生物群落垂直方向分布的解释度高于水平方向,且土壤因子对微生物群落分布的影响远大于空间因子通过扩散限制产生的影响.综上,高原泥炭沼泽土壤微生物群落具有更明显的垂直方向分布差异及环境响应特征.

揭示气候变暖对土壤微生物多样性及组成是生物多样性和生态系统功能研究的热点.关于不同水平增温如何影响高寒草甸生态系统土壤微生物群落在一定程度上是未知的.本试验在青海玉树州高寒草甸进行不同水平增温试验(W1、W2和W3分别代表增温幅度逐渐增加),基于高通量测序对土壤微生物群落进行了研究.结果表明:(1)气候变暖会显著增加土壤细菌α多样性及β多样性.其中,土壤细菌Shannon指数在W1、W2和W3处理下分别显著增加了2.70％、3.87％和8.73％,而在W3处理下土壤细菌Chao1指数显著增加了17.82％(P＜0.05).(2)细菌的优势菌门均为酸杆菌门和变形菌门,真菌的优势菌门均为子囊菌门和担子菌门.随着温度增加,细菌富集类群的数量增加,而真菌的数量减少.(3)基于PICRUSt及FUNGuild数据库对细菌及真菌进行功能预测,气候变暖后细菌优势潜在代谢功能及真菌生态功能类会发生变化.其中,不同水平增温处理下土壤相对丰度大于2％的功能基因包括Biosynthesis of ansamycins和Biosyn-thesis of vancomycin group,以及Valine、leucine和isoleucine biosynthesis等生物合成通路.气温升高会增加未分类腐生真菌及丛枝菌根的相对丰度.以上表明,气候变暖后青藏高原高寒草甸土壤微生物群落多样性、组成和功能均会发生变化.

拉萨河流域是西藏农业资源最集中、环境承载压力最大的地区.区域土壤微生物群落结构和数量变化能够反映气候变化和人类活动影响下的土壤生态及环境脆弱特征.本研究利用高通量测序方法,对拉萨河流域天然灌木林、稀疏灌木林、人工灌木林、人工乔木林、天然草地等5种生态系统的土壤微生物群落结构及其环境影响因子进行了分析.结果表明:(1)人工灌木林土壤细菌多样性和真菌多样性均最高.(2)5种生态系统土壤细菌均以变形菌门、放线菌门和酸杆菌门为优势菌群,真菌以子囊菌门、担子菌门、壶菌门及虫霉门为优势菌.(3)在浅层土壤中,天然草地和人工乔木林的细菌群落聚类相似,在深层土壤中,天然灌木林、稀疏灌木林、人工灌木林的细菌群落聚类相似.除天然灌木林外,其余4种生态系统的真菌群落在浅层和深层土壤中均呈现分离趋势.(4)土壤含水率、电导率和速效钾对细菌群落结构影响显著,而真菌群落结构主要受土壤含水率、总氮、有效磷和速效钾含量影响.以上研究结果揭示了拉萨河流域不同生态系统土壤微生物群落结构特征.

为了探究木本植物根际效应的季节动态及其驱动因素,以北京市东灵山地区两种主要植被类型——白桦(Betula platyphylla)林和蒙古栎(Quercus mongolica)林中的优势树种为研究对象,于2017年的春(5月)、夏(7月)、秋(9月)、冬(12月)4个季节分别测定根际土壤与非根际土壤的理化性质、微生物生物量、碳矿化速率及净氮矿化速率、胞外酶活性和矢量特征以及植物的根系、叶片功能性状,分析根际效应的季节变化动态.结果发现:(1)土壤pH及铵态氮含量、微生物生物量、碳氮矿化速率、胞外酶活性和矢量特征指标在根际土壤与非根际土壤之间存在显著差异,根际效应主要呈现为正效应,即根际土壤高于非根际土壤.(2)根际效应存在显著的季节动态,表现为秋季的根际效应最强.(3)根际效应与植物根系和叶片功能性状之间存在显著相关关系.细根生物量与可提取有机碳、土壤总碳、总氮含量的根际效应显著正相关;叶干物质含量、叶碳氮比与微生物生物量碳含量、微生物生物量氮含量、碳矿化速率、酸性磷酸酶活性的根际效应显著正相关.研究结果表明,植物功能性状对于植物的根际效应具有重要作用;在东灵山的温带落叶阔叶林,可能由于秋季植物地下碳输入量最高,导致根际微生物数量和活性增加,从而出现秋季微生物生物量及活性的根际效应高于其他季节的现象.

[目的]酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD)是一类低pH、高硫酸盐浓度和重金属富集的废水.探究成熟期水稻根区土壤固氮菌群落的丰度和组成及其对AMD的响应,并阐明土壤固氮菌群落结构变化的主要驱动因素.[方法]对取自安徽省铜陵市矿区受AMD污染和未受污染的稻田土壤进行水稻盆栽试验,设置 3 组不同处理(A:AMD浇溉污染土、B:清洁水浇灌污染土、CK:清洁水浇灌未污染土),采用nifH基因高通量测序技术分析不同处理下的成熟期水稻根区土壤固氮菌群落特征.[结果]AMD污灌使得水稻根区土壤中SO42-、NO3-、重金属的含量显著上升,土壤酸化且固氮菌群落的多样性下降.水稻根区土壤的优势固氮菌包括Anaeromyxobacter、Geobacter等,CK处理中富集的固氮菌群数量显著高于A、B处理,且B处理中主要富集疣微菌门,CK处理中主要富集变形菌门.pH和重金属Cu、Pb、Zn是驱动水稻根区土壤固氮菌群落结构的主要因素.具有硫还原功能的Desulfovibrio和Desulfurivibrio对氮的变化贡献明显.[结论]AMD对水稻根区土壤化学性质和固氮菌产生显著影响,恢复清洁水灌溉可促进固氮菌的恢复.

为揭示罗汉松土壤微生物对不同氮磷钾养分水平的响应及规律,该研究以两年生罗汉松(Podocarpus macrophyllus)幼苗为试验树种,采用L9正交试验控制盆栽土壤的氮磷钾养分水平梯度,使用稀释平板涂布法和Biolog-ECO微平板法探讨不同土壤氮磷钾养分水平对罗汉松土壤微生物量和群落多样性及其对6种碳源的利用特征.结果表明:(1)随氮添加量的增加,土壤细菌(P＜0.05)和放线菌数量(P＜0.001)减少,真菌(P＜0.001)及固氮菌数量(P＜0.01)显著增加,土壤微生物群落的Pielou指数(P＜0.001)降低,Simpson指数(P＜0.05)和McIntosh指数(P＜0.001)升高,从而降低了土壤微生物对6种碳源的利用强度,特别是对难利用碳源胺类(P＜0.001)、羧酸(P＜0.001)、聚合物(P＜0.001)及其他化合物(P＜0.001)的利用强度显著降低.(2)磷添加量的增加显著降低了土壤微生物群落的Shannon指数(P＜0.05).(3)钾添加量的增加显著降低了土壤微生物群落的Shannon指数和Pielou指数及微生物群落对碳水化合物和氨基酸(P＜0.01)两类易利用碳源的强度.综上所述,氮添加和钾添加是影响罗汉松土壤微生物群落功能多样性的主要因素,在罗汉松培育时应注意少量多次施肥,降低氮和钾的添加量,适当提高磷添加量,以促进罗汉松的生长及其可持续培育.该研究从微生物的角度为罗汉松施肥及管护提供了理论依据.

防护林作为沙漠公路的安全保护屏障,其生长和应对胁迫所需的养分供给依赖于土壤微生物.以塔里木沙漠公路防护林和自然沙漠为研究系统,探究土壤细菌和真菌群落、两种生境共有和特有微生物物种变化对土壤物质循环功能的驱动作用.结果显示,土壤细菌和真菌物种丰富度(P＜0.01,P＜0.01)及群落组成(P＜0.05,P＜0.01)均受防护林营造的显著影响,细菌物种丰富度的响应增幅为77.5％,高于真菌22.1％.细菌群落是导致土壤酶活性升高的显著驱动因素,而非真菌群落或环境因子;细菌物种丰富度(rho=0.46,P＜0.01)和群落组成(rho=0.68,P＜0.01)与土壤酶之间呈显著偏Mantel相关.共有细菌相对丰度(rho=0.47,P＜0.01)和特有细菌物种丰富度(rho=0.36,P＜0.01)是驱动土壤酶活性改善的关键因素,与土壤酶之间呈显著偏Mantel相关.研究表明,沙漠公路防护林土壤细菌而非真菌主导微生物群落的响应,细菌群落通过改变本地物种丰度和新物种数量来调控土壤功能.