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.

陆地生态系统碳循环对气候变暖的响应受到土壤有机碳动态的调控.以往的研究开发了多样化的增温方法(如室内培养实验、野外增温实验和温度梯度采样等)来探究土壤有机碳动态对气候变暖的响应及其机制.然而,由于不同增温方法都存在一定的局限性,目前有关增温对土壤有机碳动态影响的研究无法形成一致结论.从过程上看,土壤有机碳动态主要包括碳输入与碳分解两个过程,并受到碳稳定性的调控,这三者的变化共同决定了土壤有机碳动态对增温的响应.先前的研究表明,碳输入和碳分解对增温存在积极响应,这与植物和土壤微生物活性的增强有关.但也有研究指出,由增温导致的土壤理化性质改变(如土壤水分含量降低)以及生物过程变化(如土壤微生物热适应),可能会影响碳输入和碳分解对增温的响应.需要注意的是,表层(0-30 cm)与深层(＞30 cm)土壤有机碳动态对增温的响应机制可能存在差异,这是因为深层土壤有机碳的输入和分解过程受环境因子的限制,且稳定性与表层土壤存在较大差异.未来的研究应致力于开发新的增温方法,增加对深层土壤有机碳动态和气候敏感的生态系统的研究,引入新技术研究土壤有机质的来源、结构、保护机制等,关注植物-土壤动物-土壤微生物体系对增温的响应及其对土壤有机碳动态的调控作用,以改善碳循环模型中的不确定性,更准确地预测全球碳循环对气候变暖的反馈.

过度扩张的单一种植橡胶(Hevea brasiliensis)林会导致土壤生物多样性丧失和生态系统服务功能衰退,为探究橡胶农林复合措施的实施对土壤生态系统的缓解效应,解析多营养级土壤生物网络结构复杂性对不同橡胶林种植模式生态系统功能的影响有重要意义.本研究在西双版纳地区选取单一种植的橡胶林、橡胶+茶树(Camellia sinensis)、橡胶+大叶千斤拔(Flemingia macrophylla)和热带雨林作为研究对象,分别在干季(3月)和雨季(9月)采集凋落物和土壤样品,进一步鉴定土壤生物群落,测定土壤理化性质、土壤酶活性、凋落物生物量和根系生物量,分析并构建了不同复合种植模式橡胶林的土壤多营养级生物网络.结果表明:(1)总体而言,不同种植模式橡胶林的土壤真菌和节肢动物丰富度均显著低于热带雨林,但橡胶林间作大叶千斤拔可提升土壤细菌和线虫丰富度;(2)相较于单一种植橡胶林,橡胶+茶树模式在干季显著增加了土壤多营养级生物网络的复杂性(边数目增加38.26％、节点数目增加37.59％),且土壤节肢动物在网络结构中占比增加;而橡胶+大叶千斤拔模式则在雨季显著增加此网络的复杂性(边数目增加23.38％、节点数目增加31.58％),且网络结构以植食性线虫、根结线虫、外生菌根和根瘤菌为主的连接中心和模块中心增多;(3)橡胶+大叶千斤拔复合种植模式在干季显著提升土壤总碳氮含量,在雨季则显著增加β-1,4-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的活性.由此表明,通过间作方式增加橡胶林植物多样性可提高土壤生物多样性和资源输入,有助于土壤多营养级食物网络复杂性和土壤养分协调发展,本文可为探索可持续发展的环境友好型橡胶园种植模式提供重要理论基础和数据支持.

本研究采用随机区组设计,通过改变森林地表凋落物及添加不同水平的外源氮,探讨凋落物与氮添加及其交互作用对油松-辽东栎(Pinus tabuliformis-Quercus wutaishanica)混交林土壤氮的影响.凋落物处理包括:剔除凋落物(Littnil)、枝果凋落物加倍(Littwoody)、叶凋落物加倍(Littleaf)和混合凋落物加倍(Littmix);氮添加量分别为0(N0)、5(N5)和10gN·m-2 "a-1 (N10).在处理5年后的生长季8月,采集地表0～5 cm土壤样品,测定与氮循环相关的土壤性状和微生物性状指标,包括土壤含水量、土壤pH、土壤有机碳、土壤全氮、铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮、N-乙酰-β葡萄糖苷酶、蛋白酶和脲酶.结果表明:土壤铵态氮是土壤氮素的主要存在形式,占土壤无机氮的64.53％ ～ 87.02％;氮添加和凋落物处理对土壤pH无影响,而土壤含水量、土壤全氮、土壤有机碳、土壤铵态氮、土壤无机氮、微生物生物量氮、N-乙酰-β葡萄糖苷酶均表现为在叶凋落物加倍和混合凋落物加倍处理中高于枝果凋落物加倍和剔除凋落物处理;蛋白酶和脲酶不受凋落物处理的影响;另一方面,土壤碳氮比、土壤硝态氮和脲酶受氮添加的影响显著,土壤碳氮比随着施氮水平的增加而降低,硝态氮在剔除凋落物和枝果凋落物加倍的处理中随着施氮水平的增加先增加后降低,而在叶凋落物加倍和混合凋落物加倍处理中则随着施氮水平的增加而增加;脲酶活性随施氮水平的增加先上升后下降;氮添加和凋落物处理对所测定的指标未表现出交互作用.本研究也表明,有叶凋落物输入的处理显著改善了土壤质量.

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.

在气候变化背景下,干旱频率和强度的增加将对森林生态系统的碳循环过程产生重要影响,掌握土壤呼吸及其敏感性对干旱的响应规律有助于评价土壤在碳收支过程中的源汇角色.本研究用顶棚法野外模拟毛竹林干旱下凋落物不变(LU)、添加(LA)、移除(LR)处理对土壤呼吸动态及其温度敏感性的影响和滞留效应.结果表明:对照(自然降雨)和干旱条件下凋落物不变处理年均土壤呼吸速率分别为3.15和2.34 μmol·m-2·s-1.凋落物移除处理较凋落物添加处理对土壤呼吸的影响大,对照和干旱条件下凋落物移除处理较不变处理分别下降21.0％和20.9％,仅干旱条件下凋落物添加处理较不变处理增加5.3％;说明干旱条件下凋落物添加和移除处理对土壤呼吸的影响均较不变处理明显.干旱条件下土壤呼吸的温度敏感性较对照降低8.4％,凋落物添加处理和凋落物移除处理温度敏感性分别下降15.4％和7.6％.对照和干旱条件下18个月土壤碳累积排放量分别为7.35和5.40 kg CO2·m-2,对照和干旱条件下凋落物添加处理较不变处理分别增加1.8％和10.7％,凋落物移除处理分别下降19.9％和18.0％.凋落物添加处理或移除处理对毛竹林土壤呼吸速率的影响呈非线性,因土壤水分的减少直接影响根系生长和微生物活性致使滞留效应明显,干旱条件下凋落物量对土壤碳排放的影响更明显,凋落物量的变化是气候变化背景下土壤碳排放不可忽视的影响因素.

大气CO2浓度升高、降水格局改变、全球氮沉降增加和土地覆盖变化等全球变化不仅改变了森林土壤理化性质,而且影响了植物的生长和微生物活性,导致森林土壤碳、氮循环发生改变,进而影响土壤CH4的吸收.本研究综述了森林土壤CH4吸收的重要性,森林土壤CH4吸收对大气CO2浓度升高、降水格局改变、全球氮沉降增加和土地覆盖变化等全球变化的响应差异及驱动机制.大气CO2浓度升高抑制土壤CH4吸收;降水减少倾向于促进土壤CH4吸收;外源氮输入抑制富氮森林土壤CH4吸收,而对贫氮森林土壤CH4吸收则表现为促进或不影响;森林转化为草地、农田或人工林会减少土壤CH4的吸收量,而植树造林则会增加土壤CH4的吸收量,今后的研究重点是探讨全球变化对森林土壤CH4吸收产生长期影响和综合效应,并借助分子生物学方法进一步探究土壤CH4吸收的微生物学机制.

高山苔原生态系统的土壤无机氮含量较低,对氮的缓冲性弱而易受外源氮输入的影响.本研究以长白山北坡苔原带土壤为研究对象,通过室内培养试验,以NH4N03为外加氮源,设置3个施氮水平:对照(CK,0 kg·hm-2),低氮(N1,25 kg· hm-2),高氮(N2,50 kg hm-2),分析长白山苔原带土壤碳、氮矿化对氮沉降的响应.结果表明:氮添加处理对长白山苔原带土壤碳矿化速率影响不显著,但对土壤碳矿化累积矿化量影响显著,N2抑制了土壤的碳矿化作用.培养40 d后,氮添加处理提高了土壤无机氮含量;而培养80 d后,N2与N1的无机氮含量差异不显著,但都明显高于CK,氮输入促进了土壤氮的矿化.培养过程中,N1处理下的微生物生物量碳、氮高于N2和CK处理,说明低氮输入对土壤微生物活性的促进作用更明显.在未来氮沉降增加的背景下,长白山苔原土壤碳、氮周转可能加快,提高土壤无机氮含量.土壤中无机氮含量增加,虽然可以为植物生长提供更多生长所需的氮素,但也提高了土壤氮素的流失风险.

为探明生物质炭输入土壤后与水稳性团聚体的作用机理,及对土壤活性碳库、微生物活性、作物生长的促进作用.以生物质炭和秸秆碳为外源碳材料,两者等碳量添加条件下,在小麦不同生育期采用湿筛法、电镜扫描、酶动力学方程等方法,测定土壤结构、酶活性、活性有机碳、及小麦产量等指标的响应情况.结果 表明:生物质炭添加下,土壤＞0.25 mm大颗粒团聚体显著增加了16.9％-45.8％;土壤结构体分布以土壤大颗粒团聚体为主,含量约为小颗粒团聚体的2倍.生物质炭少量或适量添加(0.8％或2.4％),土壤微生物量碳增加了9.7％-33.6％,溶解性有机碳降低了12.6％-27.5％;而过量添加下(8％),则呈现正好相反的规律.生物质炭输入下,转化酶动力学参数Km、Vmax、k分别下降了17.3％、17.0％、16.1％.生物质炭适量添加下,小麦产量增加了14.9％-19.1％;秸秆3％和10％添加水平下,小麦产量则下降了37.3％和90.1％.整体而言,生物质炭通过增加＞0.25 mm大颗粒团聚体的形成及土壤转化酶的活性来促进土壤结构和作物的生长的改善,且生物质炭在2.4％水平下的生物质炭添加改善作用最为突出,有助于研究区域过剩秸秆资源的资源化利用.

为探讨温度升高和外源碳输入对泥炭地土壤碳氮循环关键微生物的影响,于2017年7月采集多年冻土区泥炭地表层(0-10 cm和10-20 cm)土壤样品,在10、15℃两个温度下开展为期42d的增温模拟试验,同时设置葡萄糖添加处理,利用荧光定量PCR技术分析泥炭地土壤碳氮循环关键微生物丰度变化,同时分析增温和外源碳输入对泥炭地土壤活性碳组分和无机氮含量的影响.结果 表明:温度升高可导致北方泥炭地表层土壤微生物丰度以及群落结构变化,0-10 cm土壤微生物比10-20cm土壤微生物更加敏感.增温条件下微生物首先快速分解活性有机碳,同时温度升高加快土壤氮周转速率,增加有效氮含量.外源碳输入整体提高了深层土壤微生物丰度,使得10-20 cm土壤细菌、产甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化细菌以及反硝化细菌丰度显著增加,说明外源碳输入可能会促进10-20 cm土壤甲烷氧化过程、氨氧化过程和反硝化过程.温度和葡萄糖的交互作用对泥炭地表层土壤碳氮循环关键微生物丰度均有显著影响.在增温和外源碳输入条件下,北方泥炭地表层土壤微生物丰度受土壤碳氮活性基质的影响.