为探究灌丛引入对荒漠草原土壤有机碳稳定性的影响,选取近40年的典型草原-灌丛镶嵌体(荒漠草地,草地边缘,灌丛边缘、灌丛地)为研究对象,开展荒漠草原向灌丛人为转变过程野外原位观测结合室内培养的土壤有机碳矿化及其对降水变化(+40％、+20％、CK、-20％、-40％)的响应特征研究,主要结果如下:荒漠草原人为灌丛转变的过程中土壤有机碳、全氮和全磷含量显著降低;土壤有机碳累积矿化量、碳矿化速率、碳矿化及微生物代谢熵均随着转变过程呈上升趋势,且灌丛地较荒漠草地分别增加了 26.6％、27％、25.8％和26.8％;土壤潜在可矿化有机碳量随转变波动上升,灌丛地显著高出荒漠草地31.55％;转变样地在不同降水梯度下土壤有机碳矿化速率呈下降趋势,但灌丛地、灌丛边缘土壤有机碳矿化始终高于荒漠草地和草地边缘地,其中灌丛地与灌丛边缘有机碳矿化对降水降低响应更加敏感和积极,结果表明荒漠草原向灌丛转变过程增强了土壤有机碳微生物矿化的同时,还提高了其应对干旱的能力,这种能力或许是以更高的微生物代谢熵和二氧化碳通量为代价.

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.

土壤微生物是土壤有机质和养分循环的主要驱动者,研究土壤微生物生物量碳氮变化、稳态特征及其对环境因子内在的长期响应机理具有重要意义.以南亚热带常绿阔叶林土壤为对象,对土壤微生物生物量碳和氮(MBC和MBN)、土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、可溶性碳(ROC)、速效氮(AN)、pH、土壤温度(ST)和土壤含水量(SWC)进行连续 10 年监测;应用方差分析、相关性和回归分析及稳态分析等探究MBC和MBN的年际变化和稳态特征及主要影响因素.研究结果表明:(1)旱季MBC和MBN 含量分别在 171.32-358.45 和 25.90-54.08 mg/kg 区间波动,雨季分别在 394.01-507.97 和 68.40-88.05 mg/kg区间波动;旱、雨季的MBC含量年际间变化显著(P＜0.05),但MBN含量仅在旱季变化显著(P＜0.05).雨季MBC和MBN含量均显著高于旱季(P＜0.01),且雨季的MBC和MBN含量是旱季的2 倍以上.(2)旱、雨季的MBC与MBN之间均呈显著正相关(P＜0.05).在旱季,MBC和MBN均与ROC和AN含量显著正相关(P＜0.05),此外,MBN含量也与TP(P＜0.05)和SOC(P＜0.01)显著正相关.在雨季,仅SOC与MBN呈显著正相关(P＜0.05).(3)在旱季,MBC含量变化主要受ROC(P＜0.05)和AN(P＜0.001)影响,MBN则受AN控制(P＜0.05).在雨季,AN(P＜0.05)主导了MBC的变化,TP(P＜0.05)和SOC(P＜0.05)是MBN变异的主导因子.AN(P＜0.001)和SOC(P＜0.001)是旱、雨季土壤MBC和MBN变化的主导因子.(4)土壤MBC和MBC/MBN稳态指数在年际间均为绝对稳态型(P＞0.05);雨季的MBN(P=0.685)为绝对稳态型,但旱季为非稳态(P＜0.01,H＞1).雨季微生物熵显著高于旱季(P＜0.01),表明土壤有机质质量及养分利用效率更高.综上,MBC和MBN含量受季节更替显著影响,且主要受土壤SOC和AN的影响;受旱季水分限制,MBN的稳态更差.

在高纬度高海拔区域气温增幅更大的背景下,高山亚高山森林土壤有机碳稳定性组分分配比关系以及由于此差异导致对增温的反馈效应均有待深入阐释.天山森林是以雪岭云杉(Picea Schrenkiana)为单优树种的温带针叶林,在天山北坡中山带(海拔约1760-2800 m)呈垂直落差超过1000 m的带状斑块分布,便于排除混交树种的影响,而量化土壤有机碳库稳定性组分分配比关系沿海拔的分异规律,及其对气候变化的响应情况.沿海拔梯度设置森林样地并分层采集土样,研究各土层土壤总有机碳库(Csoc)、活性碳库(Ca)、缓效性碳库(Cs)、惰性碳库(Cp)、微生物量碳(MBC)在海拔梯度上的变化特征,通过碳库活度(A)、碳库活度指数(AI)、碳库指数(CPI)、土壤碳密度(SOCD),探讨天山森林土壤有机碳稳定性组分沿海拔的分异特征.结果表明:(1)随着海拔的升高,天山中段北坡云杉森林土壤Ca占比逐步升高,Cs和Cp占比逐步降低,这意味着天山中段北坡云杉森林土壤碳的分解释放与区域气候变暖间将呈现出加速偏离平衡态的正反馈效应;(2)该区域森林土壤的MBC和微生物熵(qMB)虽均随海拔升高呈双峰曲线,但峰值有所差异,qMB在高海拔处(2600-2800 m)显著升高,这意味着在森林高海拔区域土壤微生物的活性更强;(3)Csoc、Ca、G、Cp表聚效应明显,且随海拔升高呈现出单峰曲线;(4)海拔2400-2600 m的AI、CPI最大,海拔2200-2400 m的A、CPI和SOCD处于较低水平.为深入了解天山森林土壤碳库对气候变暖的响应过程提供了科学参考,为天山森林土壤碳库管理提供了有益借鉴.

台风干扰可能显著影响我国东南沿海山地茶园土壤有机碳稳定性和矿化过程,而土壤微生物熵(qMB)是指示土壤有机碳稳定性和矿化潜力的敏感指标.因此,研究不同经营模式茶园土壤微生物熵对台风干扰的响应,可为山地茶园土壤碳库管理提供重要科学依据.为此,以浙江省台州市天台县苍山顶传统化肥经营的纯茶园(M0)、林茶间作(M1)、茶园养鸡(M2)、施用微生物肥料的纯茶园(M3)四种经营模式茶园为研究对象,在2021年7月28日台风"烟花"(第6号台风)来临前一天(T1)、台风过境后一天(T2)和台风过境后7天(T3),按照表层土壤(0-10 cm)和亚表层土壤(10-30 cm)采集四种经营模式的茶园土样,同步测定土壤有机碳(SOC)含量、微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量.结果表明:(1)台风干扰对M2和M3的土壤有机碳影响更显著,而且不同经营模式茶园中表层和亚表层的土壤有机碳含量对台风干扰的响应存在差异;(2)台风干扰对M2的土壤微生物熵影响更显著,对表层土壤的微生物,影响更显著,说明台风干扰对M2 土壤有机碳稳定性和矿化影响显著,M2的土壤微生物熵对台风干扰的响应显著;(3)台风干扰对M2的土壤微生物生物量碳影响最显著,对M0和M1的影响最弱,且不同经营模式茶园中不同土层的土壤微生物生物量碳对台风干扰的响应存在差异;(4)台风干扰对M0的土壤可溶性有机碳含量影响更显著,M1和M3次之,对M2的影响最弱.而且不同经营模式茶园中表层和亚表层土壤的可溶性有机碳含量对台风干扰的响应存在差异.综上,台风干扰会对不同经营模式茶园土壤微生物熵影响程度不同,说明台风干扰对不同经营模式茶园土壤有机碳稳定性具有不同程度的影响,其中M2的土壤有机碳是响应台风干扰最敏感的经营模式茶园.

为探讨桂林会仙喀斯特湿地芦苇植物群落土壤养分垂直变化趋势和微生物活性特征,测定0～ 80 cm剖面土壤碳、氮、磷含量,微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)以及基础呼吸(BR)、呼吸势(PR)、微生物熵(qMB)和代谢熵(qCO2)等微生物活性指标,分析土壤养分含量与微生物活性特征的相关性.结果表明:(1)土壤总碳(TC)、有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全氮(TN)、有机氮(Org-N)均随着土壤深度的增加而减少,土壤速效氮(AN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、全磷(TP)、速效磷(AP)、有机磷(Org-P)和无机磷(Inorg-P)含量在下层土壤中有所波动;SOC占TC含量比例较高,Org-N在TN中所占比例较大,Inorg-P含量略高于Org-P含量;(2) MBC、MBN、MBP主要集中在0～ 30 cm土层,且随剖面深度的增加,三者均逐渐降低,且土壤MBC与SOC、MBN与TN、MBP与TP均呈极显著正相关关系(P＜0.01);(3)BR和PR均随土壤深度的增加而显著降低,而qMB随着土层深度的增加先升高再降低,qCO2的垂直变化整体呈下降趋势,但在中间土层间有所波动;(4)会仙喀斯特湿地芦苇群落土壤养分和微生物活性各指标之间均呈极显著正相关关系,土壤微生物活性特征是反映会仙喀斯特湿地土壤质量状况的重要指标.

林下植被是生态系统的重要组分.通过对比分析红壤侵蚀区植被恢复过程中,林下有无芒萁覆盖地的土壤可溶性有机碳(DOG,Dissolved Organic Carbon)含量及其与地下根系生物量、地上植被淋溶液DOC含量的关系.结果表明:林下植被芒萁覆盖增加了地上叶片和地下根系生物量,土壤DOC含量及储量也显著增加(P＜0.05),芒萁覆盖对表层土壤(0-20cm) DOC的影响大于深层土壤(20-100cm)(P＜0.05);相关分析结果表明,林下芒萁覆盖地土壤DOC储量与细根生物量的垂直变化呈显著的正相关关系(P＜0.05),且随植被恢复年限的增加相关性显著增加,地下根系的垂直分布直接影响各土层DOC储量.不同植被恢复时期,林下芒萁覆盖地土壤DOC与鲜叶(马尾松+芒萁)和枯落物(马尾松+芒萁)淋溶液DOC均呈显著的正相关关系(P＜0.01),而林下裸露地土壤DOC仅与鲜叶(马尾松)淋溶液DOC呈显著的相关性(P＜0.01),林下芒萁覆盖地相对于裸露地枯落物淋溶液对土壤DOC储量的影响大于鲜叶.植被恢复过程中芒萁覆盖地土壤微生物生物量碳和微生物熵显著高于林下裸露地.因此,在植被恢复进程中,芒萁能够提供更多底物参与土壤物质与养分循环,对土壤DOC的贡献较大,为侵蚀区马尾松林恢复提供了重要的养分再吸收来源;同时芒萁覆盖增加了微生物活性,促进了微生物对土壤DOC的同化作用,提高了微生物碳源的利用率,对土壤有机碳的积累起着重要的作用.

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.

以不同营林处理措施(对照、除灌、采伐1(15％)、采伐2(70％)后不同时期(处理后2个月,2013年12月;处理后15个月,2014年12月)三峡库区马尾松飞播林为研究对象,采用磷脂脂肪酸分析法对其土壤微生物生物量、微生物群落结构进行测定,同时比较了不同处理土壤理化性质特征,结果表明:1)处理后1年,除丛枝菌根真菌外,除灌、采伐1和采伐2微生物群落各类群生物量以及总生物量与对照相比均呈现减少的趋势,而在处理后初期并无规律性变化;2)主成分分析表明(PCA)不同处理措施在实施后初期并未对微生物群落结构产生显著影响,而在处理后1年,除灌和采伐1、采伐2的微生物群落结构显著区别于对照,且与土壤微生物群落多样性相关的2个主成分分别解释变量变化的50.40％和26.70％;3)2013年真菌生物标记(20:1 w9c)与主成分1极显著相关,而在2014年与主成分1极显著相关的生物标记物变为革兰氏阴性细菌(16:1w7c);4)冗余度分析表明,土壤湿度、土壤温湿度比值、土壤微生物熵(微生物量碳(MBC)/土壤有机碳(SOC))是影响不同时期微生物群落结构的显著环境因子(P＜0.05).

以桂林会仙喀斯特湿地8种植物群落为研究对象,分析了群落土壤含水率、pH、土壤养分(有机碳SOC、全氮TN、全钾TK、速效氮AN、速效钾AK)和微生物活性指标(微生物生物量碳MBC、微生物生物量氮MBN、土壤基础呼吸BR、土壤呼吸势PR、微生物熵qMB和代谢熵qCO2)的变化及其相互关系,探讨水位梯度下不同植物群落类型对土壤养分和微生物活性特征的影响.结果表明:(1)会仙湿地大部分植物群落土壤pH呈弱碱性,含水量随着土层的加深而降低,且土壤pH值和含水量随着群落积水深度的增加而升高;(2)各植物群落土壤有机碳、全氮、速效氮和速效钾含量在垂直剖面上均表现出随土壤深度的增加而减少的趋势;土壤微生物生物量碳氮含量(除铺地黍群落外)、土壤基础呼吸和呼吸势均随着土壤深度的增加而降低,且各土层之间差异显著(P<0.05),而土壤微生物熵和代谢熵在垂直剖面的分布并无明显规律;(3)8个植物群落中,华克拉莎群落的土壤有机碳、全氮、速效氮、速效钾和微生物生物量碳氮含量、土壤基础呼吸速率和呼吸势均最高;田间鸭嘴草群落的土壤微生物熵显著高于其它群落(P<0.05);(4)会仙湿地土壤微生物生物量碳氮、基础呼吸、呼吸势与土壤有机碳、全氮之间均呈极显著的正相关关系(P<0.01),微生物熵和全钾、速效氮均显著正相关(P<0.05),表明在水位梯度变化的驱动下,会仙喀斯特湿地不同植物群落土壤养分和微生物活性特征存在差异,土壤微生物活性特征反映了不同植物群落的环境适应和土壤质量的状况.