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.

为研究植物残体配合施氮对石油污染土壤生物学和化学性质的综合修复能力,以紫花苜蓿(Medicago sativa)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)和小冠花(Coronilla varia)3种广泛分布于陕北石油污染区的草本植物凋落物为对象,分别在配合施氮调节土壤C∶N为25∶1和不配合施氮的条件下,将其与45.37 g/kg的重度石油污染土壤混合,在20-25℃、恒湿条件下进行为期180d的室内修复试验,检测上述处理对油污土壤微生物数量、11种土壤水解酶和氧化还原酶活性以及速效N、P和K含量的影响.结果 表明:(1)3种凋落物处理均可显著提高污染土壤中放线菌和真菌数量,蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶、木聚糖酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶活性以及速效养分含量,并显著降低土壤总石油烃含量.(2)配合施氮总体上显著强化了凋落物对污染土壤生化性质的修复作用,但对凋落物处理下木聚糖酶、脲酶、蛋白酶和脱氢酶活性和微生物数量的恢复可能产生不利影响.(3)单纯使用凋落物作为调理剂可以更为全面的修复油污土壤受损生化性质,具有高N和P含量、较低C/N、C/P比以及较低多酚和木质素含量的凋落物修复效果更好.在急需迅速修复土壤的条件下,配合适量施氮可作为强化凋落物修复效果的可选途径,但应注意其导致的部分土壤生化指标修复效果的降低.

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.

同位素13 C标记的磷脂脂肪酸(PLFA)法,可以追踪有微生物参与的碳循环过程,并且揭示微生物在此过程中的功能,PLFA法在微生物生态研究中已经被广泛应用.通过查阅国内外相关文献,归纳总结了13 C标记的PLFA法在微生物介导的植物-土壤碳循环中的应用,包括植物残体的微生物分解、土壤激发效应、丛枝菌根、光合作用产物的微生物利用及其在甲烷氧化菌、浮游植物等特定微生物上的应用.在此基础上,对其在中药生态种植研究领域进行展望,包括丛枝菌根增加药用植物抗逆性、缓解连作障碍和非药用部位堆肥还田.

土壤中微生物通过分解土壤中的有机残体为植物提供养分,在生态系统中起着重要的作用.为了明确海南岛热带雨林土壤真菌的组成及多样性时空分布特征,本研究以海南省五大热带雨林区——吊罗山、五指山、鹦哥岭、霸王岭和尖峰岭雨林旱季和雨季土壤真菌为对象,基于高通量基因测序技术分析土壤真菌群落组成与多样性时空分布格局.结果 表明:热带雨林不同地点的真菌组成差异显著,不同季节的真菌多样性差异较大,全氮和全磷是影响旱雨季土壤真菌多样性的重要环境因子,解释率分别为13.07％和17.86％.热带雨林土壤真菌群落具有明显的时空分布特征,土壤养分是主要的驱动因子.

植物残体添加和去除试验(The Detritus Input and Removal Treatments,DIRT)是研究地上凋落物以及植物根系对土壤营养物质循环过程及机制探究的一种试验设计.于2012年6月选择福建省三明森林生态系统与全球变化研究站的米槠常绿阔叶天然林,设置5种处理:对照(CT)、去除凋落物(NL)、去除根系(NR)、去除凋落物与根系(NI)、添加双倍凋落物(DL),在2018年12月对各处理不同土层(0-10cm、10-20cm)土壤磷组分及其影响因子进行研究,结果表明:(1)在0-10cm土层中DL处理总磷含量显著大于NL处理,NI处理无机磷含量最低,在10-20cm中DL处理有机磷含量显著大于其他处理;(2)DL处理活性磷(Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHC03-Po)含量在0-10cm土层中显著大于其他处理.在10-20cm土层中NR处理活性磷以及中等活性磷显著大于NL处理.残留态磷(Residual-P)含量最高,但在各处理与土层之间并没有明显差异;(3)酸性磷酸酶在0-10 cm土层不同处理间的变化趋势明显,CT处理活性最高,NI处理活性最低.NR与NL处理在10-20cm土层的差异并不明显.冗余分析表明,土壤磷组分的变化主要受酸性磷酸酶、土壤含水率、可溶性有机氮以及总氮的影响.凋落物的输入对促进土壤磷素增加,改善土壤质量具有重要意义;植物根系则对土壤磷的活化与稳定具有关键作用.

在水-二氧化碳-碳酸盐岩-生物的相互作用下,岩溶碳循环活跃,在全球形成8.24×108t C/a的岩溶碳汇,约占全球遗漏汇的29.4％,其中部分岩溶碳汇以土壤有机碳的形式固存,因此碱性土壤固碳是未来碳中和的主要途径.微生物作为土壤碳循环的重要驱动者,影响着土壤有机碳主要赋存形式即植物残体碳与微生物残体碳的动态变化.本文通过综述岩溶土壤有机碳库储量、岩溶土壤有机碳库的来源与构成、影响岩溶土壤有机碳库动态的微生物因素以及岩溶土壤有机碳库更新的微生物机制,探讨了微生物对岩溶土壤植物残体碳与微生物残体碳的影响,并提出亟待解决的关键科学问题.这为深入研究岩溶区土壤有机碳库分配、更新及其维持的微生物机制,深化对岩溶土壤碳循环及其微生物机理认识,进而为应对千分之四全球土壤增碳计划提供了参考.

微生物残体是稳定土壤碳库的重要来源,对退化生境碳的固持和积累具有重要意义.植物根系分泌物作为植物-土壤-微生物"交流"的媒介,是调控土壤微生物残体迁移转化的关键.因此,以极度退化草地土壤为对象,以氨基糖为标志物,模拟研究了不同氮浓度(低氮-LN:0.1 gN/kg;高氮-HN:0.2 gN/kg)和多样性(3种化合物、9种化合物)根系分泌物输入对土壤微生物残体的影响.结果表明:(1)根系分泌物输入可显著增加高寒退化草地土壤微生物残体含量,且主要由真菌残体贡献.其中高氮和低多样性处理增加最明显,微生物残体和真菌残体分别增加了 101.14％,125.16％,而低氮和高多样性处理微生物残体和真菌残体仅增加了 35.79％,33.51％.(2)根系分泌物的输入可增加土壤β-葡萄糖苷酶、土壤磷酸酶和过氧化物酶活性,促进微生物的生长,而降低β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,减少微生物残体的分解.(3)回归分析结果显示,土壤微生物残体与土壤环境的C/N呈显著负相关,与微生物生物量C/N呈显著正相关.上述结果表明,在未来退化草地恢复中,可充分利用模拟根系分泌物输入的土壤固碳策略,即通过提高土壤氮的有效性,促进微生物的生长,加快代谢周转,进一步提高微生物残体含量.

森林土壤呼吸是全球碳循环的重要流通途径,其变化会对大气CO2产生影响.为探究未来沿海地区气候变化和人为干扰下滨海沙地的碳循环模式,以滨海沙地木麻黄防护林和纹荚相思防护林为研究对象,对两种林分3种不同处理[去除根系(RT)、去除地上部分凋落物(RL)以及对照(CK)]的土壤呼吸速率、土壤水热因子年变化规律进行分析.结果显示:在观测期间(2019年9月至2020年8月),对照、去根和去凋落物处理木麻黄防护林平均土壤呼吸速率分别为2.63 μmol m-2 s-1、2.51 μmol m-2 s-1、2.14 μmol m-2 s-1,纹荚相思防护林分别为2.75 μmol m-2 s-1、2.23 μmol m-2 s-1、1.81μmol m-2 s-1.两种林型不同处理的土壤呼吸速率与5 cm深度土壤温度之间呈指数相关关系(P＜0.05),与土壤微生物量碳和微生物量氮之间呈极显著正相关(P＜0.01),土壤呼吸速率和土壤温度、土壤湿度的拟合模型可以更好地解释土壤呼吸与土壤温湿度之间的关系.本研究表明不同植物残体去除处理通过改变土壤碳输入和土壤环境因子从而影响森林土壤碳排放,且不同类型森林土壤呼吸速率对改变植物残体(碳源)输入方式的响应存在差异性,两种林地不同植物残体去除后土壤呼吸速率均有所下降,木麻黄林地凋落物去除比根系去除对土壤呼吸速率的影响更为显著,纹荚相思林地两种处理对土壤呼吸速率均有显著影响.