探明石漠化土壤碳组分积累和分配对丛枝菌根真菌(AM)与蚯蚓接种的响应,可为提升石漠化土壤固碳潜力及生物修复效率提供数据参考.本研究选择白枪杆为寄主植物,设置接种摩西斗管囊霉(FM)、蚯蚓(E)、蚯蚓+摩西斗管囊霉(E+FM)和不接种(CK)4个处理,研究不同处理土壤碳组分(总有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳、惰性有机碳)及其分配(微生物生物量碳/总有机碳、易氧化有机碳/总有机碳、惰性有机碳/总有机碳)的时空变化.结果表明:1)蚯蚓、丛枝菌根真菌单独与共同接种处理均显著促进了土壤碳库各组分积累.与CK相比,接种处理土壤碳组分含量均值的增幅表现为:E+FM＞E＞FM,接种处理显著促进了 土壤微生物生物量碳/总有机碳(30.5％～68.5％)和易氧化有机碳/总有机碳(31.2％～39.2％),但降低惰性有机碳/总有机碳(2.9％～16.2％).2)不同处理土壤碳组分积累和分配的时空变化存在差异.各碳组分含量最大值均出现在6月,其中E+FM处理各碳组分含量较CK的增幅(33.0％～122.1％)显著高于E(31.2％～95.4％)和FM处理(9.2％～41.3％);微生物生物量碳/总有机碳、易氧化有机碳/总有机碳最大值出现在6月,惰性有机碳/总有机碳最大值则出现在12月,此时3个接种处理各碳组分占有机碳的比例较CK的变幅表现为:E+FM＞E＞FM;各碳组分含量及其分配均沿土层加深递减(9.7％～146.2％),其中E处理碳组分含量降幅最小,而E+FM处理微生物生物量碳/总有机碳和易氧化有机碳/总有机碳降幅最小、惰性有机碳/总有机碳降幅最大.3)3个接种处理土壤理化性质变化显著影响各有机碳组分积累及分配,其中碳库组分含量及分配与土壤pH呈极显著负相关,与其他土壤指标呈显著正相关.4)主成分分析显示,土壤含水量、全氮、全磷是影响碳组分积累的主要驱动因子,而土壤含水量、全磷、pH是影响土壤碳组分分配的主控因子.因此,蚯蚓、AM真菌及其交互作用均显著影响石漠化土壤碳组分积累与分配,其影响程度主要取决于土壤含水量、pH及氮磷养分状况.

有机磷(Po)是土壤磷库的重要组成部分.为探究马尾松人工林近自然化改造对土壤团聚体Po分布特征的影响,该研究以南亚热带的马尾松纯林(PP)和近自然化改造后的马尾松-阔叶树种混交林(CP)为对象,采集 0～10 cm土样后利用干筛法将其筛分为>2 mm、0.25～2 mm和<0.25 mm三部分粒径团聚体,并测定原土及各粒径团聚体中各Po组分、微生物生物量磷(MBP)含量和酸性磷酸酶(ACP)活性.结果表明:(1)CP的土壤Po组分与PP相比发生了变化,高稳定性有机磷(HRO-P)和中度活性有机磷(MLO-P)在原土以及各团聚体径级中均显著高于PP(P<0.05),而活性有机磷(LO-P)和中度稳定性有机磷(MRO-P)在CP和PP中并无显著差异,PP和CP各组分Po在原土和各团聚体径级中无明显变化规律.(2)各形态Po在PP中占比大小为HRO-P>MRO-P>MLO-P>LO-P,而在CP 中为HRO-P>MLO-P>MRO-P>LO-P.(3)CP中的MBP含量和ACP活性在原土及各团聚体径级中均显著高于PP,并且随着团聚体径级的减小,ACP 活性上升.(4)冗余分析发现,土壤有效磷(AP)、土壤团聚体平均重量直径(MWD)、MBP 和全氮(TN)为土壤Po组分的主要驱动因子.综上认为,近自然化改造有利于马尾松人工林土壤中磷的积累与转化,该研究结果为马尾松人工林土壤质量和生产力的提升提供了理论依据.

通过树种选择与配置优化提高土壤磷有效性进而促进树木生长是值得关注的问题.本研究在南亚热带人工林树种多样性平台开展研究,采用随机区组的试验设计方法,选取马尾松、米老排、格木、红椎、火力楠、灰木莲、土沉香、降香黄檀8个乡土树种,建立了 1、2、4和6个树种丰富度梯度的混交造林试验,测定了根际土壤生物有效磷组分(氯化钙磷、柠檬酸磷、酶磷和盐酸磷),探究不同树种配置对根际土壤生物有效磷组分的影响.结果表明:对比非固氮树种,固氮树种(格木和降香黄檀)的混交有效增加了土壤含水率、全氮含量、全磷含量和微生物生物量磷,树种合理配置有利于土壤生物有效磷的生成积累.固氮树种混交条件下,土壤氯化钙磷含量显著增加了 46.2％～160.3％,微生物矿化产生的酶磷提高了 69.3％～688.2％,盐酸磷增加了 31.5％～81.3％;土壤微生物生物量磷提高了 81.8％～149.4％,土壤微生物量氮增加了 88.1％～160.6％.冗余和相关分析显示,土壤微生物生物量磷、速效磷、全磷、蛋白酶、纤维二糖水解酶、酸性磷酸酶、微生物生物量氮和有机碳是驱动根际土壤生物磷组分差异的关键因子;固氮树种混交提高了酶磷和柠檬酸磷含量,这两种生物有效磷组分含量与林分树木胸高断面积呈显著正相关.固氮树种(格木)混交有效提升了根际土壤生物有效磷含量,有利于促进林分树木生长.

为探究不同人工林型微生物残体碳(Microbial necromass carbon,MNC)对土壤有机碳组分的积累贡献及影响因素,在黄土高原选取刺槐林、山杏林、油松林为研究对象,分析了三种人工林0-60 cm 土层真菌残体碳(Fungal necromass carbon,FNC)、细菌残体碳(Bacterial necromass carbon,BNC)、MNC 对颗粒态有机碳(Particulate organic carbon,POC)和矿物结合态有机碳(Mineral-associated organic carbon,MAOC)的积累贡献及其影响因素.结果表明:(1)三种人工林POC、MAOC中FNC、BNC、MNC含量均随土层深度的增加而降低;(2)刺槐林和山杏林MNC对MAOC的积累贡献(60.9％,52.0％)高于POC(33.5％,49.5％),其中FNC对MAOC的积累贡献分别是BNC的4.4和2.5倍,油松林在0-10 cm 土层MNC对POC的积累贡献(73.8％)高于MAOC(48.2％),其中FNC对POC的积累贡献是BNC的3.5倍,而在10-60 cm 土层MNC对MAOC的积累贡献(30.9％)高于POC(24.4％),其中FNC对MAOC的积累贡献是BNC的3.4倍;(3)总有机碳和全氮含量与MNC/POC、MNC/MAOC呈显著正相关关系(P＜0.05),黏粒含量与MNC/MAOC呈显著正相关关系(P＜0.05),pH值、砂粒含量与MNC/MAOC呈显著负相关关系(P＜0.05).说明黄土高原三种人工林0-60 cm 土层MNC主要贡献MAOC的积累,油松林0-10cm 土层除外,且与细菌残体碳相比,真菌残体碳在土壤有机碳组分积累中的贡献更大,土壤总有机碳、全氮、黏粒、砂粒含量、pH值是影响该区不同人工林型微生物残体碳贡献土壤有机碳组分积累的主要因素.

本研究将垂柳(Salix babylonica L.)、元宝枫(Acer pictum subsp.mono(Maxim.)H.Ohashi)、银杏(Ginkgo biloba L.)、龙爪槐(Sophora japonica L.var.japonica f.pendula Hort.)、油松(Pinus tabuliformis Carrière)、刺柏(Juniperus formosana Hayata)、侧柏(Platycladus orientalis(L.)Franco)和云杉(Picea asperata Mast.)等8种北方城市常见绿化树种的凋落物与延安市城区受到频繁扰动的表层土壤以2%(凋落物/干土)的比例混合,在模拟自然条件下的土壤容重和含水量的基础上进行120 d的室内培养实验,检测处理后土壤有机碳及其各组分的含量以及相应碳库指数的变化,并分析凋落物化学特性与上述指标的关系.结果显示,8种供试凋落物中,除五角枫和刺柏外的所有凋落物处理均显著提高了土壤总有机碳含量,除五角枫、银杏和刺柏外的凋落物处理显著提高了其稳定组分的含量,而所有凋落物处理普遍显著提高了中等和高活性组分的含量.垂柳、侧柏、云杉和油松凋落物处理显著提高了土壤碳库指数,几乎所有处理均显著提高了土壤有机碳活度指数和碳库管理指数,仅侧柏凋落物处理显著提高了土壤固碳指数.凋落物氮和氨基酸含量与土壤有机碳各组分含量和相关碳库指数总体呈负相关;凋落物总酚和可溶性糖含量以及碳氮比、碳磷比和氮磷比与高活性、低活性和稳定有机碳组分含量呈正相关,其总有机酸、磷、总碳、萜类、酚类含量和碳氮比则与中等活性有机碳组分含量呈正相关.仅从提高土壤有机碳总量及其各组分含量,以及土壤有机碳活性和稳定的角度考虑,侧柏凋落物可作为处理城市土壤的优选材料,其次为垂柳、云杉和油松凋落物.

为探究不同土地利用类型盐碱土无机磷组分特征及其影响因素,以华北地区典型盐碱地为供试土壤,分析辣椒地、轻度盐碱玉米地、重度盐碱玉米地、向 日葵地、羊草地、虎尾草地、碱蓬草地和裸地共8种土地利用类型土壤无机磷组分的差异特征.结果表明:盐碱土壤无机磷组分中Ca10-P所占比例最高,其他磷组分含量依次表现为Ca8-P＞Al-P＞O-P＞Fe-P＞Ca2-P.冗余分析和相关性分析结果表明,Ca2-P和Ca8-P与土壤pH、电导率、钠吸附比呈显著负相关(P＜0.05),与速效磷、速效氮、速效钾呈显著正相关(P＜0.05),土壤理化因子共解释了 36.03％无机磷组分特征.因此,盐碱土中Ca2-P、Ca8-P是土壤磷有效性的关键组分,且主要受到pH、电导率和钠吸附比影响.根据8种土地利用类型土壤磷组分差异和理化性质,辣椒和向 日葵可分别作为轻度和重度盐碱地改良利用的首选农作物,羊草可作为盐碱地生态修复的草地物种.此外,可以通过改善盐碱地土壤pH、电导率、钠吸附比、有机质等理化性质来提高土壤磷有效性.

为探明土壤有机碳沉积对热带森林恢复的响应过程与机理,选取西双版纳处于不同恢复阶段的热带森林类型(前期的白背桐群落、中期的崖豆藤群落、后期的高檐蒲桃群落)为研究对象,探讨土壤有机碳库各组分积累与分配(微生物量碳储量/总有机碳储量、易氧化有机碳储量/总有机碳储量、惰性有机碳储量/总有机碳储量)的时空变化规律,分析乔木与林下物种的丰富度和多样性、土壤温湿度、容重、pH及氮库(全氮、水解氮、铵氮、硝氮)对土壤有机碳库组分积累与分配的影响.结果表明:(1)热带森林恢复显著促进土壤碳库各组分的蓄积(P＜0.05),相较于恢复前期,恢复中后期土壤总有机碳、微生物量碳、易氧化有机碳、惰性有机碳储量增幅达9.25％—50.84％;恢复促进了土壤微生物量碳和易氧化有机碳的分配(8.98％—25.36％)(P＜0.05),但对惰性有机碳分配无显著影响;(2)不同恢复阶段热带森林土壤碳组分积累与分配的时空变化存在一定的差异.其中上述4种碳组分积累最大值均出现在6月、垂直变化均沿土层递减;土壤易氧化有机碳和微生物量碳分配最大值出现在6月、惰性有机碳分配则在12月最大,易氧化有机碳和微生物量碳分配沿土层递减、惰性有机碳分配无显著垂直变化;(3)土壤微生物量碳、易氧化有机碳、惰性有机碳的储量在土壤碳库储量的分配占比分别维持在2.40％—5.00％、18.22％—39.34％、18.50％—26.55％,土壤有机碳组分对总有机碳储量变化的解释率表现为:微生物量碳(83.71％)＞惰性有机碳(82.17％)＞易氧化有机碳(78.54％);(4)相较于恢复初期,恢复后期乔木与林下物种丰富度和Shannon多样性提升了 42.78％—490.82％,氮库(全氮、水解氮、铵氮、硝氮)含量仅提升了 12.73％-25.51％;(5)冗余分析表明,林下物种丰富度、温湿度、水解氮是影响土壤有机碳组分积累的主要驱动因子,而乔木香农多样性、湿度、容重则是影响土壤有机碳库组分分配的主控因子.因此,西双版纳热带森林恢复进程显著促进了土壤有机碳库组分积累与分配,影响程度取决于样地林下物种丰富度、乔木香农多样性、土壤温湿度、容重与水解氮的状况.

为了探究短期氮沉降对凋落物和土壤有机质化学组成的影响,以亚热带毛竹林为对象,于2020年7月—2022年1月设置氮沉降增加(施氮量50 kgN·hm-2·a-1)处理,利用热裂解气相色谱质谱联用(Py-GC/MS)技术,对毛竹林毛竹叶/根凋落物和土壤的有机质化学组分进行了分析.结果表明:与对照相比,短期氮沉降处理土壤有机质中酚类的相对含量显著增加了 50.9％,而脂肪酸的相对含量显著减少了 26.3％;叶凋落物中烷烯烃和木质素的相对含量显著增加了 51.9％和33.5％,酚类和多糖的相对含量显著减少了52.2％和56.3％;根凋落物中多杂环芳香烃的相对含量显著减少了 16.6％.土壤有机质中脂肪酸的相对含量与叶凋落物中多糖的相对含量呈显著正相关;土壤有机质中酚类的相对含量与叶凋落物中木质素的相对含量呈显著正相关,与多糖的相对含量呈显著负相关.短期氮沉降对毛竹林毛竹叶/根凋落物和土壤的总有机碳、总氮和碳氮比均无显著影响,但是会显著改变三者的有机质化学组成;另外,短期氮沉降下土壤有机质化学组成的变化受叶凋落物有机质化学组成的影响.

以三峡库区马尾松人工林为对象,将土壤筛分为大团聚体(2000～8000 μm)、粗砂粒(1000～2000μm)、小团聚体(250～1000 μm)和微团聚体(＜250 μm)4个粒径,研究低、中、高氮添加处理(氮添加量分别为30、60、90kgN·hm-2·a-1)下土壤酸解性有机氮组分和净氮矿化的变化.结果表明:不同处理下,团聚体净硝化速率为0.30～3.42 mg N·kg-1,占净氮矿化的80％以上.与对照相比,不同处理4个粒径的总氮含量分别提高24.1％～45.5％、6.4％～34.3％、7.9％～42.4％,净氮矿化速率分别提高1.3～7.2、1.4～6.6、1.8～12.9倍,而速效磷含量分别降低9.3％～36.9％、12.2％～56.7％、19.2％～61.9％.可酸解性有机氮组分、有机质含量以及净氨化、净硝化和净氮矿化速率均随着团聚体粒径的减小而增加,但速效磷含量变化呈相反的趋势.酸解性有机氮组分含量大小为:酸解氨基酸态氮＞酸解铵态氮＞酸解未知态氮＞酸解氨基糖态氮.总氮是提高酸解性有机氮组分含量的主导因子.多元逐步回归显示,酸解氨基酸态氮和酸解氨基糖态氮含量影响了净氨化速率;酸解氨基糖态氮、酸解氨基酸态氮和酸解铵态氮含量共同影响了净硝化、净氮矿化速率以及净氮矿化累积量.综上,团聚体的物理结构影响了土壤氮矿化,氮添加提高了土壤生物可利用性及易矿化态酸解性有机氮的含量,但大量氮添加导致土壤有机质和速效磷含量下降.

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.