土壤有机碳(SOC)对维持土壤肥力和农业可持续发展具有重要作用.为探究长期耕作对黑土区旱作农田土壤有机碳储量(SOCS)及其组分的影响,本研究基于39年的耕作试验,比较了不同耕作方式(旋耕起垄、免耕、深松、翻耕)对0～40 cm 土层SOCS、活性有机碳组分和微生物残体碳(MNC)含量的影响.结果表明:与旋耕起垄相比,免耕处理显著增加了 0～20cm 土层SOCS、SOC、可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)和MNC含量;深松和翻耕处理在0～20和20～40 cm 土层中显著增加了SOCS、SOC和EOC含量,并在20～40 cm 土层增加了 MBC含量.此外,翻耕处理20～40 cm 土层中DOC、颗粒有机碳和MNC含量显著高于其他处理.深松和翻耕处理相较于旋耕起垄和免耕处理,显著降低了 0～20和20～40 cm 土层中MNC对SOC的贡献率.结构方程模型表明,通过提升土壤团聚体平均重量直径、田间持水量和全磷含量,增强β-葡萄糖苷酶、淀粉酶和木质素过氧化物酶活性,能促进MNC的积累.深翻促进了 0～40 cm 土层SOC、活性有机碳和MNC的均匀分布,更有利于黑土区农田SOC的固定.

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.

为探明旱区山地不同海拔梯度土壤氨基糖积累特征,明确氨基糖对土壤有机碳库的贡献以及影响因素.以 2021 年 8 月在贺兰山西坡不同海拔(1848-2940 m)采集的土壤为研究对象,分析土壤理化性质、微生物群落结构、氨基糖含量、氨基糖对土壤有机碳贡献变化特征以及引起该变化的驱动因素.结果表明:沿海拔梯度上升,土壤理化性质表现出显著差异,土壤含水率、有机碳、全氮表现为升高趋势,pH和容重表现为降低趋势,全磷无明显变化规律.沿海拔梯度上升,土壤真菌、细菌、放线菌以及丛枝菌根真菌磷脂脂肪酸(Phospholipid fatty acids,PLFAs)含量表现为先增加后减少的趋势,在中海拔区域(2110-2360 m)微生物PLFAs含量更高.沿海拔梯度上升,总氨基糖含量和氨基糖单体(氨基葡萄糖、氨基半乳糖、胞壁酸和氨基甘露糖)分别表现为持续增加和先减少后增加的变化趋势,并且总氨基糖和氨基糖单体含量均在最高海拔达到峰值,中海拔区域真菌和细菌残体碳对土壤有机碳的贡献率均小于高海拔(2707-2940 m)和低海拔(1848-1910 m),且在不同海拔梯度上真菌残体碳对土壤有机碳贡献率占据主导地位.方差分解结果显示,土壤理化性质和微生物PLFAs含量共同解释了土壤氨基糖含量及对有机碳贡献率的 55.2%,其中土壤理化性质解释变异的 52.9%,微生物PLFAs含量解释变异的 26.9%,冗余分析同步验证土壤理化性质是影响氨基糖及氨基糖对土壤有机碳贡献率的主要因素.本研究结果揭示了贺兰山西坡微生物驱动土壤有机碳存储与转化机制,可为进一步研究旱区山地微生物残体对土壤有机碳的贡献提供理论依据.

有机残体混合分解对陆地生态系统物质循环至关重要,但关于农田生态系统中混合秸秆分解过程的研究仍较缺乏.该研究在玉米(Zea mays)单作、马铃薯(Solanum tuberosum)单作和玉米马铃薯间作小区实验中,设置了为期6个月的玉米秸秆、马铃薯秸秆和玉米马铃薯混合秸秆分解袋填埋实验,通过Biolog-Eco微平板法分析秸秆类型和分解环境对秸秆微生物碳代谢活性的影响.结果表明,马铃薯秸秆和玉米秸秆混合对分解过程产生了协同效应,混合秸秆的分解率和微生物代谢活性高于单一秸秆,增加了微生物对碳水化合物和羧酸类底物的利用.这种协同效应随时间延长而削弱.随机森林模型和结构方程模型分析表明,土壤中溶解性有机碳、硝态氮、铵态氮含量以及秸秆碳氮比是驱动秸秆分解的重要因素.总之,秸秆混合促进秸秆分解.

土壤酶是土壤生态系统中具有催化功能的一类蛋白质,由植物根系分泌物、微生物和动植物残体释放到土壤中,参与了土壤中所有的生物化学过程,其活性的大小可以灵敏地反应土壤中生化反应的方向和强度.青藏高原因海拔高和气候寒冷,被认为是气候变化的敏感区和脆弱区.全球气候变化使土壤酶活性受到强烈的影响,这些影响可能使土壤的质量发生改变,进而对青藏高原高寒草地植被生产力产生一定影响.土壤酶在生态系统物质循环和能量流动中起着关键作用,其格局、功能和转换过程已被广泛的研究,但高寒草地生态系统土壤酶活性的海拔地带性特征还需深入探讨.因此,以青藏高原高寒草地为研究对象,将土壤酶活性海拔梯度研究从站点尺度拓展到样带尺度,分析了与土壤碳循环密切相关的土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(βG)、与土壤氮循环密切相关的土壤N-乙酰-β氨基葡萄糖苷酶(NAG)、土壤亮氨酸肌肽酶(LAP)以及与土壤磷循环密切相关的土壤碱性磷酸酶(ALP)的海拔地带性,进一步明晰其主要驱动因子.结果表明:(1)ALP和βG活性在海拔梯度上,展现出显著分异,在约为3546 m和3364 m出现拐点,且低海拔显著高于高海拔(P＜0.01).而NAG和LAP的活性与海拔无显著关系.(2)高低海拔模式下,ALP活性均与年平均降水量显著相关(P＜0.01),而不受年平均温度的影响.高海拔模式下,βG活性受降水的影响;低海拔模式下,气候影响不明显.综合而言,海拔变化引起的温度和降水变化会直接或间接地影响土壤酶活性,其中降水是影响青藏高原高寒草地土壤酶活性的关键因子之一,这种适应性的改变使土壤酶能够在不同的环境条件下适应并发挥其功能,从而影响着土壤生态系统的物质循环和能量转化过程.研究结果可以评估不同海拔地带土壤的养分转化、有机质分解和循环等生态系统功能,为生态系统管理和保护提供科学依据,对理解高寒草地生物地球化学循环过程和机制具有重要意义.

植物残体是引起土壤、微生物和胞外酶C ∶ N ∶ P 改变的关键因素,但是其作用机理尚不明确.本研究以青藏高原东缘高寒草甸为对象,通过测定土壤、微生物生物量和胞外酶活性等指标,探究移除地上植物或根系及植物残体添加对土壤、微生物和胞外酶C ∶ N ∶ P 的影响.结果表明:与无人为扰动草甸相比,移除地上植物显著降低了土壤C ∶ N(变幅为-23.7%,下同)、C ∶ P(-14.7%)、微生物生物生物量C ∶ P、N ∶P,显著提高了微生物生物量C ∶ N、胞外酶C ∶ N ∶ P.与移除地上植物相比,移除地上植物和根系显著降低了土壤C ∶ N(-11.6%)、C ∶ P(-24.0%)、N ∶ P(-23.3%)和微生物生物量C ∶ N,显著提高了微生物生物量N ∶ P和胞外酶N ∶ P;移除地上植物后添加植物残体显著提高了微生物生物量C ∶ N、C ∶ P和胞外酶C ∶ N,显著降低了胞外酶N ∶ P.与移除地上植物和根系相比,移除地上植物和根系后添加植物残体显著降低了土壤C ∶ N(-16.4%)、微生物生物量C ∶ P、N ∶ P和胞外酶N ∶ P,显著提高了胞外酶C ∶ N.综上可知,去除植物显著影响土壤、微生物和胞外酶的C ∶ N ∶ P,微生物生物量和胞外酶C ∶ N ∶ P 对植物残体的响应更为敏感.有无根系是添加植物残体时土壤、微生物和胞外酶的生态化学计量稳定性强弱的关键所在.添加植物残体的措施适用于植物根系尚且完好的草甸,有利于高寒草甸土壤碳固存,对没有根系的草甸土壤可能不适用,会增加土壤CO2排放.

采用黄土丘陵区多年生C3草本植物长芒草为对象,模拟"枯落物-土壤"转换界面,进行了为期512 d的室内分解试验,对枯落物分解过程中界面土层微生物残体和土壤碳组分动态进行了研究.结果表明:土壤微生物残体的形成在分解早期和中期由真菌主导,而在晚期由细菌主导.真菌残体碳对矿物结合态有机碳的贡献率(38.7％～75.8％)明显高于细菌(9.2％～22.5％),是细菌残体贡献率的3～4倍.土壤有机碳含量在枯落物分解过程中呈下降趋势.植物碳源的输入调动了微生物对土壤碳组分的利用.颗粒态有机碳分解早期和晚期持续下降,成为土壤有机碳含量减少的直接原因;而微生物残体碳和矿质结合态有机碳的波动变化对土壤有机碳含量的降低只起到间接作用.一次性外源添加枯落物引起的土壤微生物残体碳的增加并没有直接贡献土壤有机碳的积累.

抚育间伐作为重要的森林经营措施之一,能够改变林分结构和稳定性,进而影响森林生态系统的生物地球化学循环.然而,抚育间伐对森林土壤碳、氮循环的影响程度如何尚不明确,尤其缺少长期试验结果报道.本研究以黑龙江省孟家岗林场经过4种不同强度和频度的抚育间伐处理后的60年生长白落叶松人工林为研究对象(4次低强度的间伐,LT4;3次中等强度的间伐,MT3;2次高强度间伐,HT2;不进行间伐的对照,CK),从酸水解法划分土壤碳、氮库(活性碳、氮库Ⅰ,活性碳、氮库Ⅱ和惰性碳、氮库)的角度研究了抚育间伐对长白落叶松人工林土壤总有机碳、全氮的影响机制.结果表明:抚育间伐显著增加了土壤有机碳和全氮含量,增幅分别高达48.7％ ～50.3％和28.9％～42.7％.抚育间伐均增加了3种碳、氮组分的含量,而增加的程度因碳、氮组分和抚育间伐措施的不同而异.与活性碳库Ⅰ和活性碳库Ⅱ的增加程度相比,惰性碳库的增加程度最大,LT4、MT3和HT2处理下惰性碳库分别增加71％、69％和75％.此外,抚育间伐也显著增加了惰性碳占土壤总有机碳的比例.LT4显著提高了土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵,而MT3和HT2对微生物生物量碳、氮和微生物熵却无显著影响.抚育间伐可能通过产生较多的粗木质残体于土体中,增加土壤木栓质和木质素等顽固组分的输入,进而导致土壤惰性碳含量增加,降低有机质的分解,最终导致土壤有机碳增加.

以次生常绿阔叶林为对照,选择立地条件相近的无经营、粗放经营和集约经营3种类型毛竹林为研究对象,应用密度-粒径联合分组以及化学、生物分析和傅里叶变换红外光谱(FIIR)方法,探讨经营措施对毛竹林土壤不同组分有机碳、氮含量,分配比例及结构特征的影响.结果 表明:与对照相比,无经营和粗放经营毛竹林显著提高了土壤总有机碳(TOC)、全氮(TN)、游离态颗粒有机碳、氮、可溶性有机碳(DOC)、氮(DON)和矿物结合态有机碳、氮的含量.无经营毛竹林虽然显著增大了游离态颗粒有机碳、氮的分配比例,但其与黏土矿物结合的有机碳依然是土壤有机碳的最大贮存库(67.6％).集约经营导致竹林土壤有机碳、全氮的贮量及各组分有机碳、氮含量下降,但明显增大了DOC/TOC、微生物生物量氮与全氮比值以及微生物生物量碳和土壤有机碳的比值(微生物商).经营措施对土壤有机碳的化学结构也具有显著影响.与对照相比,无经营和粗放经营毛竹林土壤有机碳中酚醇-OH、脂肪族-CH、芳香族C=C和羰基C=O吸收峰相对强度增强,土壤疏水性显著增加.土壤有机碳的脂肪碳、芳香碳和疏水性与土壤碳氮总量呈显著正相关,与微生物商呈显著负相关.在人为干扰减少的情况下,毛竹林凋落物、根系等有机质残体输入量的增多引起土壤难分解化合物的相对积累,使有机碳化学稳定性明显增强.同时,土壤黏土矿物质对土壤有机碳起到了很好的保护作用,通过矿物-有机碳复合使土壤碳储存稳定性更高,进而有利于土壤碳的长期保存.

在农田生态系统中,施肥是维持和提高土壤有机碳(SOC)水平的重要管理措施.微生物代谢和植物组分存留共同控制着有机碳的截获过程.本研究利用肥料与肥力长期(30年)定位试验,以氨基糖和木质素分别作为微生物和植物残留组分标识物,探讨长期不同施肥处理对黑土农田中微生物和植物残体组分积累及有机碳库的影响.结果 表明:与未施肥处理相比,施用无机肥(单施氮肥或有机无机肥配施)可增加作物生物量和土壤氨基糖的积累,但对木质素和SOC含量无显著影响,说明无机肥施入刺激了微生物底物同化,加速了有机碳和木质素在耕层的周转.与无机肥相比,长期施用有机肥促进了SOC的累积(增幅38.3％),但是氨基糖在土壤有机碳中所占的比例并未发生显著变化,说明微生物残留物对SOC积累的贡献具有饱和性;而有机肥施入增加了木质素在SOC中的比例,即增加了植物残体对SOC长期积累的贡献.与单施有机肥相比,有机无机肥配施增加了微生物残留物对SOC的积累.因此,长期施肥可以调节微生物残留物和植物残留组分的不同积累过程,从而影响SOC的积累和稳定机制.