植物凋落物在土壤有机质形成过程中扮演重要角色,在局域尺度上其分解速率与土壤生境密切相关.不同土壤基质下的凋落物分解快慢不同,进而影响土壤碳周转及养分利用效率.与叶凋落物分解密切相关的微生物群落主要来源于叶凋落物际,这些微生物群落在土壤养分循环和有机物分解过程中发挥着至关重要的作用,然而目前关于叶凋落物际中微生物群落动态变化的研究还相对较少.研究以喜旱莲子草(Alternanthera philoxeroides)的叶凋落物为研究对象,通过高通量测序研究不同土壤(有机土、铁铝土、冲积土)和分解阶段(30％、60％、90％)下叶凋落物际细菌群落的动态变化及其对凋落物分解的影响.结果表明:随着分解的进行,叶凋落物际细菌群落多样性逐渐升高,并且群落多样性水平越高(Alpha多样性:有机土＞冲积土＞铁铝土),其分解速率越快(k:有机土＞冲积土＞铁铝土).研究进一步发现,叶凋落物际细菌群落组成变化受土壤类型和分解阶段显著影响(P＜0.001),但前者作用效应更大.具体而言,不同土壤基质下的叶凋落物际优势菌不同,有机土和冲积土基质中均由变形菌门(Proteobacteria)主导(分别占55.33％和53.10％),铁铝土基质中则以放线菌门(Actinobacteriota)为主(占比为63.95％).受分解阶段影响,不同土壤基质下叶凋落物际各优势菌门的平均相对丰度在分解后期均有所下降,而以绿弯菌门(Chloroflexi)为代表的寡营养菌(oligotrophic taxa)在分解后期显著增加(P＜0.05),与分解前期相比增加了 5.66-413.80倍.此外,在不同土壤中,叶凋落物际细菌群落构建均受确定性过程影响,其共现网络复杂度在冲积土、有机土、铁铝土中依次降低,变形菌门和放线菌门在整个叶凋落物际细菌群落的构建和维持中扮演着关键角色.研究揭示了不同土壤基质调控叶凋落物际细菌群落组成及多样性进而影响凋落物分解过程,这为深入理解叶凋落物际细菌群落在生态系统养分循环过程中的关键作用提供了数据支撑.

土壤有机碳(SOC)与森林地力维持和碳汇功能密切相关,土壤SOC的微小波动就能引起大气二氧化碳浓度的显著变化.凋落物管理作为人工林主要经营措施,如何影响SOC化学结构和稳定性及其机制尚不清楚.本研究以杉木(Cunninghamia lanceolata)林为对象,采用完全随机区组设置凋落物添加、凋落物移除和对照3种处理的野外控制试验.处理6年后,0～10、10～20和20～40cm三层采集土壤样品,采用透射傅里叶红外光谱法(T-FTIR)测定SOC化学结构,热重法(TG)和差示扫描量热法(DSC)分析SOC热稳定性,并测定土壤其他理化性质.结果表明:(1)凋落物移除显著降低0～10、20～40 cm 土层铵态氮(NH4+-N)和10～20 cm 土层硝态氮(NO3--N)含量;(2)凋落物添加显著降低SOC的醇酚相对占比,提高芳香族的相对占比;(3)凋落物添加显著降低热稳定系数(H),凋落物移除处理下SOC燃烧过程中质量损失50％所对应的温度显著提高(Tg-T50);(4)NH4+-N、NO3--N与Tg-T50呈显著负相关;醇酚和芳香族分别与H呈显著正相关和负相关.综上所述,凋落物移除通过降低氮有效性提高SOC热稳定性;凋落物添加通过降低SOC化学分子结构中易分解碳,增加难分解碳的形成从而提高SOC热稳定性.研究结果可为亚热带人工林通过凋落物管理措施提升土壤碳汇功能来实现"碳中和"提供科学依据.

黄土高原不同小流域由于环境特点和植被恢复方式的不同,导致其生态效益存在地带性差异.为了研究不同环境和植被恢复方式下土壤理化性质的差异性及影响机制,选取黄土高原两个小流域不同植被恢复方式(油松人工林、侧柏人工林和自然恢复对照)作为研究对象,对比分析植被恢复方式和环境特点对土壤养分储量和水分状况,以及植被生长状态等生态恢复效益的影响和贡献.结果表明:(1)吉县自然恢复下全氮含量最高,均值为0.79g/kg;有机碳均值含量表现为定西油松最高,吉县对照次之,其均值分别是16.91g/kg,13.46g/kg;全磷含量和全钾含量最高的是吉县油松样地和定西的侧柏样地,其均值为2.40g/kg和23.43g/kg.(2)土壤速效氮、速效磷、速效钾的含量,吉县的油松样地、侧柏样地和自然对照样地分别高于定西2.89％,81.03％和7.49％.(3)基于主成分分析(PCA)和方差分解(VP)结果,在不同小流域影响土壤养分和水分含量的主要因素有所差异.其中吉县和定西小流域影响土壤养分的主要因素分别为土壤物理性质和植被属性,解释度分别为79.92％、55.3％;而土壤含水量主要受降水量和土壤-植被共同影响,其解释度分别为87.06％、43.53％.综上结果表明,多雨条件的吉县地区植被适合自然恢复,而相对干旱的定西地区植被则适合人工恢复.考虑黄土高原植被恢复的人工和自然恢复方式,结果证明不同小流域的降水量与土壤含水量等环境特点影响植被生长状态和植被恢复的生态效益,可为因地制宜的科学植被恢复策略提供数据和理论支持.

为了调整低效马尾松(Pinus massoniana,P)人工纯林的林分结构,探明其与乡土阔叶树种凋落叶混合分解过程中的可溶性有机碳(DOC)释放规律,该研究以马尾松、香樟(Cinnamomum camphora,C)和香椿(Toona sinensis,T)的凋落叶为研究对象,将其按照不同树种和质量比例组合为 15 个处理(3 个单一树种处理+12 个混合处理)后进行野外凋落叶分解实验,并探讨DOC释放最佳的凋落叶树种组合以及混合比例.结果表明:(1)马尾松和大部分混合处理凋落叶(除了PT64)在分解初期(0～6 个月)的DOC含量均显著升高,出现富集现象,之后随着分解时间的延长而降低,在分解中后期(12～18 个月)或分解末期(18～24 个月)再次出现小幅度的碳富集现象.阔叶所占比例越高,其后期DOC含量越低.(2)分解前期(0～6 个月)凋落叶DOC释放的拮抗效应较强(58.33%),仅有 8.33%(1/12)的混合处理表现出协同效应.之后(6～18个月)其协同效应逐渐增强(91.67%),分解末期(18～24 个月)凋落叶的协同效应有所减弱(66.67%).在所有混合处理中,PT64 在整个分解期间均出现协同效应,其次为PT73、PCT622 和PCT613 在大部分分解时期(3/4)出现协同效应.(3)偏最小二乘法(PLS)回归分析表明,凋落叶初始质量因子中N含量、P 含量、木质素含量、缩合单宁含量、C/N、C/P、木质素/N以及木质素/P是影响该研究区域中凋落物DOC释放的重要因素.总体而言,马尾松与阔叶凋落叶混合后的DOC释放受到树种、混合比例及分解时间的共同影响.相对于其他混合处理,阔叶占比大于等于 30.00%且含有香椿(T)的凋落叶混合处理(PT64、PT73、PCT622和PCT613)更能促进DOC的释放.

全球寒区冻土区包括季节性和多年冻土区,主要分布在高海拔和高纬度地区,其土壤中储存了大量的有机碳.该地区正面临着比全球平均温度更高的暖化速率,气候变暖对该地区土壤有机碳的影响及其对气候变暖的反馈作用倍受关注.本文针对气候变暖对季节性和多年冻土草地生态系统碳循环关键过程(如植物生产、凋落物和根系分解、微生物群落结构等方面)的影响,以及土壤有机碳形成和稳定性机制等进行了扼要综述.在此基础上,提出了目前存在的问题,分析了未来在实验设计和新技术应用上的有关发展态势,以期进一步推动气候变暖背景下,我国寒区草地生态系统碳循环关键过程和土壤有机碳库稳定性机制的研究.

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.

旨在探究喀斯特地区退化生态系统植被恢复树种凋落叶分解过程及其对土壤碳排放的激发效应,为选择合适的树种进行植被恢复提供数据支持.以中国林科院热带林业实验中心大青山石山树木园11种适应性强、耐干旱贫瘠的优良石山树种为研究对象,利用13C自然丰度法区分凋落叶和土壤来源CO2并量化土壤激发效应,比较不同生态恢复树种凋落叶分解及其激发效应的差异,探讨凋落物分解及其激发效应与凋落物性状之间的关联.结果表明:(1)11个生态恢复树种凋落叶在碳相关化学性质(水溶性碳、半纤维素和单宁含量等)、养分含量(磷和镁含量等)及化学计量特征(碳磷比和氮磷比)等方面均表现出较高程度变异.(2)不同生态恢复树种凋落叶分解及其诱导的土壤激发效应具有极显著差异(P＜0.001);在整个培养实验期间,11个生态恢复树种凋落叶平均分解了 35.3％,其中海南椴分解最快,达到50％,而青冈栎分解最慢,仅分解16.5％.(3)总体上看,凋落叶处理的土壤呼吸速率(5.1 mg C kg-1 土壤d-1)是对照土壤呼吸速率(2.3 mg C kg-1 土壤d-1)的2.2倍,凋落叶添加显著促进土壤有机碳分解,平均达到37.6％;其中海南椴、割舌树和任豆凋落叶输入则抑制土壤有机碳分解(抑制程度分别为-13.2％、-6.9％和-22.5％),产生负激发效应.(4)凋落叶分解与非结构性碳(r=0.63,P=0.04)和水溶性碳(r=0.91,P＜0.001)呈显著正相关,与叶干物质含量(r=0.64,P=0.03)、纤维素(r=0.62,P=0.04)和锰含量(r=-0.63,P=0.04)呈显著负相关.多元回归分析结果表明,水溶性碳、钾和钙含量相结合可以解释生态恢复树种凋落叶分解变异的98％;然而,凋落叶性状与土壤激发效应强度之间并没有显著相关性.从土壤养分归还角度考虑,喀斯特退化生态系统恢复树种可以选择光皮梾木、海南椴、顶果木和降香黄檀等凋落叶分解较快的树种,以促进土壤养分循环和植被恢复;另一方面,从土壤碳固持角度来看,海南椴、任豆和割舌树等凋落叶输入会抑制土壤有机碳分解,从而有利于提高退化生态系统土壤碳封存能力.

氮添加会引起土壤理化性质和养分有效性的改变.受此影响,森林植物的地上碳同化能力和地下碳分配格局也会相应地发生变化,总体表现为促进植物生长固碳,增加凋落物和植物根系沉积碳输入土壤,并改变上述植物源有机质的数量和化学成分.与此同时,土壤微生物的群落结构和生态功能也会受到氮添加的影响,由于土壤中的有机碳分解、转化和稳定等过程均受到微生物的驱动,因此,氮添加所引起的底物供应差异和微生物响应会影响森林土壤有机碳的矿化,并最终影响森林土壤有机碳库固存、稳定和CO2排放.但目前关于氮添加对森林土壤有机碳库固存能力和CO2排放特征的影响机制仍不清楚,为此,以森林土壤的碳循环过程为线索,综述了氮添加对底物供应、土壤有机碳激发效应、微生物碳代谢等过程的影响,并尝试梳理在氮添加影响下森林土壤有机碳分解、转化和稳定的微生物驱动机制.这有助于预测氮添加对森林土壤"氮促碳汇"的实际效果,以便研究人员在未来氮沉降日益严重背景下更好地预测森林土壤的碳循环特征,寻找提高森林土壤有机碳库固存能力和降低CO2排放相关途径提供参考.同时,还分析了目前相关研究中存在的问题,并对该领域未来的研究热点进行了展望.

森林生态系统在全球碳(C)储量中占据极为重要的地位.菌根真菌广泛存在于森林生态系统中,在森林生态系统C循环过程中发挥重要的作用.阐述了不同菌根类型真菌在森林生态系统C循环过程中的功能,对比了温带/北方森林与热带/亚热带森林中菌根真菌介导的C循环研究方面新近取得的研究结果.发现温带和北方森林的外生菌根(EcM)植物对地上生物量C的贡献相对较小,然而是地下C储量的主要贡献者;以丛枝菌根(AM)共生为主的热带/亚热带森林地表生物量占比较高,表明AM植被对热带/亚热带森林地上生物量C的贡献相对较大.我们还就全球变化背景下,菌根真菌及其介导的森林生态系统C汇功能,以及不同菌根类型树种影响C循环的机制等进行了总结.菌根真菌通过影响凋落物分解、土壤有机质形成及地下根系生物量,进而影响整个森林生态系统的C循环功能.菌根介导的森林C循环过程很大程度上取决于(优势)树木的菌根类型和森林土壤中菌根真菌的群落结构.最后指出了当前研究存在的主要问题以及未来研究展望.本文旨在明确菌根真菌在森林生态系统C循环转化过程中的重要生态功能,有助于准确地评估森林生态系统C汇现状,为应对全球变化等提供重要的依据.

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.