藓结皮是荒漠生物土壤结皮的重要类型,在荒漠生态系统碳固定与碳排放过程中具有重要作用.研究长期氮添加对藓结皮光合生理活性和土壤有机碳(SOC)组分的影响,有助于理解藓结皮光合生理活性特征与荒漠生态系统土壤碳固存之间的关系及其调控因子.为此,研究依托古尔班通古特沙漠野外长期(13a)氮添加实验,以齿肋赤藓形成的藓结皮为研究对象,选取0(N0)、1.0(N1)、3.0 g N m-2 a-1(N3)三种氮处理,阐明长期氮添加对藓结皮光合生理活性和SOC组分的影响.结果表明:(1)相比对照,长期氮添加对结皮层颗粒有机碳(POC)与矿物结合态有机碳(MAOC)含量无显著影响,但显著减少了 0-5 cm 土层POC和MAOC含量的积累;(2)N1处理显著提高了叶绿素和非结构性碳水化合物(NSC)含量,而N3处理叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及NSC的含量分别显著降低了 50.94％、42.49％、46.71％和50.85％;(3)可溶性糖的含量在N1处理下显著增加,N3处理则显著抑制了其积累,脯氨酸的含量随氮浓度呈显著下降的趋势,长期氮添加对可溶性蛋白含量无显著影响;(4)相关性分析表明,长期氮添加、光合生理活性与POC和MAOC含量无显著相关性,酸碱度、微生物量碳氮、电导率、硝态氮和铵态氮皆显著影响POC和MAOC的含量积累.研究揭示了长期氮添加对藓结皮的光合生理活性和SOC组分的影响,且光合生理活性的响应无法有效反映SOC组分变化,为理解荒漠生态系统中氮沉降对生物土壤结皮的影响提供数据支持.

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.

中国北方农牧交错带温性盐碱化草地土壤有机碳库对全球气候变暖的响应趋势存在较大不确定性.作为温性盐碱性草地的典型分布区,山西右玉农牧交错带是探索相关研究的理想生境.基于山西农业大学野外观测研究站开顶式气室模拟增温实验平台,通过采集生长旺季土壤样品,探索温性盐碱化草地不同土层有机碳、氮组分对模拟增温的响应与适应机制.结果表明:(1)不同增温处理对土壤有机碳(C)、总氮(N)、颗粒性有机碳(POM-C)和氮(POM-N)、矿物结合态有机碳(MAOM-C)和氮(MAOM-N)、可溶性有机碳(DOC)和氮(DON),以及微生物量碳(MBC)和氮(MBN)等组分无显著影响,但显著降低了 MAOM-C/MBC的比值;(2)除土壤可溶性有机碳和微生物量碳外,土壤碳、氮各组分均随土层深度加深而呈现递减趋势,土壤碳、氮各组分之间的比值,除MAOM-N/N和MBC/C外,均随土层深度的增加而呈现显著上升趋势;(3)增温对POM-N/MBN和MAOM-N/MBN的影响与土层深度存在明显的交互效应;(4)不同土层氮组分比值对增温的响应与禾草丰度、杂类草丰度、凋落物量、土壤pH值及土壤含水量等因素有关.其中,凋落物量和土壤pH值主要影响POM-N/MBN和MAOM-N/MBN,禾草丰度与杂类草丰度则调控POM-N/N的变化,土壤pH值和土壤含水量与MAOM-N/N密切相关.综上所述,温性盐碱化草地土壤有机碳、氮组分对短期内气候变暖存在较强的适应性;同时,相较于土壤碳组分,不同土层氮组分比值对增温处理表现出更强的差异性响应.这些结果有助于理解温性盐碱化草地土壤碳库对未来气候变暖的响应与适应格局,为全球气候变暖背景下我国北方脆弱草地生态系统的保育和恢复提供重要的基础性数据.

为探究毛竹林下种植茶树对土壤有机碳储量与碳组分的影响,该研究以毛竹纯林、竹茶混交林和常绿阔叶林为研究对象,采集这 3 种林分类型的表层(0～10 cm)土壤,测定土壤有机碳(SOC)、碳组分、生物与非生物因素指标.结果表明:(1)竹茶混交林林下植物多样性相较于毛竹纯林显著降低,但其土壤有机碳密度(22.54±2.09)t.hm-2、碳组分与毛竹纯林无显著差异(P>0.05).竹茶混交林的矿物结合态有机碳(MOC)为(20.13±1.83)g.kg-1,占总有机碳的 92.66%.常绿阔叶林土壤有机碳密度比竹茶混交林和毛竹纯林高土壤有机碳密度分别高 41.15%和 41.00%(P<0.05).(2)3 种林分类型土壤微生物量碳(MBC)含量范围为 0.58～3.08 g.kg-1,土壤 16S rRNA丰度范围为 2.18×1010～5.65×1010copies.g-1,固碳基因cbb L丰度范围为 0.37×108～1.10×108 copies.g-1,土壤微生物碳利用效率范围为 0.03～0.28;3 种林分类型之间微生物相关指标不存在显著差异(P>0.05).(3)3 种林分类型SOC与土壤pH、砂粒含量和地上凋落物生物量呈显著负相关,与土壤黏粒含量、粉粒含量、总氮、C ∶ N、总磷和铵态氮含量呈显著正相关(P<0.05).(4)就不同碳组分而言,颗粒有机碳(POC)和MOC均与土壤pH、砂粒含量和根系生物量呈显著负相关,与土壤含水量、黏粒含量、粉粒含量、总氮、C ∶ N、总磷和铵态氮含量呈显著正相关(P<0.05).综上表明,竹茶混交改造会造成原生毛竹纯林林下植被多样性下降,但并未造成土壤碳储量下降;而相较于常绿阔叶林,毛竹经营措施需要改进,以提升其碳汇效益.

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.

生物炭因具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和无机矿物等特性,在控制农业面源污染和温室气体排放方面有着良好的应用前景.生物炭对氮循环微生物群落特征的影响是生物炭能否有效控制面源污染和改良土壤的核心问题.围绕生物炭对土壤氮循环微生物群落特征的影响,从生物炭的多元性、添加量和环境条件3个方面综述生物炭对土壤硝化和反硝化微生物的影响研究进展,高温热解生物炭对土壤氮循环微生物的积极作用要比低温热解生物炭效果好;生物炭原料来源、添加量对土壤氮循环微生物群落的影响存在较大差异;添加有机肥料要比常规化肥更能提高氮循环微生物碳源的利用能力及其活性;环境中的污染物如多环芳烃(PAHs)、酚类化合物(PHCs)和重金属等的存在不利于氮循环微生物的生存.随着分子生物技术的进步,未来应结合多种分子生态学技术和稳定同位素探针技术等手段研究生物炭对土壤氮循环微生物的影响机制,生物炭热解温度和添加量对土壤氮循环微生物的影响不容忽视,在长期的田间试验中应注意老化生物炭对污染物和氮循环微生物的影响.

为了研究红壤侵蚀区生态恢复过程中土壤有机碳的组成与动态变化,选择红壤侵蚀区生态恢复10 a和30 a的马尾松林为对象,以侵蚀裸地和次生林为对照,应用土壤有机碳物理分组方法,研究了侵蚀地植被恢复过程中表层土壤粗颗粒态有机碳(cPOC)、细颗粒态有机碳(fPOC)和矿质结合有机碳(MOC)含量及POC/MOC比值的变化.结果表明:生态恢复显著提高了土壤有机碳含量(P＜0.05),土壤中不同组分有机碳含量也相应增加.生态恢复10 a,土壤有机碳主要以fPOC形式积累,cPOC和MOC没有显著变化,其中0-10 cm土层POC占总土壤有机碳(SOC)比例高达64.1％,但稳定性较差.与恢复10 a相比,生态恢复至30 a时,0-10 cm土壤fPOC含量相对不变,cPOC和MOC含量均显著增加(P＜0.05),10-20 cm土壤fPOC和MOC增加量达到显著水平,而cPOC含量仍未显著增加,说明生态恢复过程中土壤固碳模式符合SOC饱和理论.生态恢复过程中土壤POC/MOC比值呈先升高后降低的趋势,且表层土壤大于亚表层土壤,说明随着生态恢复时间的增加,土壤有机碳稳定性逐渐提高,且亚表层土壤高于表层.因此,生态恢复对于侵蚀地碳固定的长期有效性具有重要意义.

通过对云南异龙湖4.56 m沉积岩芯进行X射线荧光光谱分析(XRF),结合13个AMS 14C测年结果,获得了高分辨率元素地球化学序列.异龙湖岩芯中元素的因子分析显示,F1因子揭示了沉积地球化学元素的来源,其正载荷代表了流域外源物质输入加强,而负载荷则指示了湖泊自生碳酸盐沉淀的增加,F2因子指示了湖泊氧化还原状态,F3因子可能与人类活动有关.在此基础上结合磁化率、矿物组成及有机质含量等指标,对异龙湖沉积环境演化过程进行探讨.结果表明,在末次盛冰期期间(26000-17000 cal.yr.BP),区域气候特征是气温低、降水少;在17000-14500 cal.yr.BP期间,异龙湖经历了显著的干旱气候,可能与亚洲夏季风突然减弱有关;14500-9000 cal.yr.BP,异龙湖经历了显著的高湖面阶段,与滇池高水位时期基本一致,表明流域降水丰沛,外源物质输入增加;900-6000 cal.yr.BP期间,区域温度增加导致流域干旱化加剧,此阶段与西南地区全新世大暖期(全新世适宜期)相对应;6000 cal.yr.BP以后外援物质输入锐减可能指示了区域降水的降低.异龙湖地球化学沉积记录揭示的环境演变过程与区域气候环境变化具有一致性,也具有明显的特殊性.

以新疆玛纳斯河流域长期连作棉田为研究对象,采用傅里叶红外光谱技术(FTIR)分析不同连作年限[0(对照)、5、10、15和20年]棉田土壤红外光谱特征,分析连作结合秸秆还田对土壤有机碳结构和稳定性的影响.结果表明:随连作年限增加,土壤有机质中多糖和芳香族基团相对峰强度下降,脂肪族和醇酚相对峰强度上升,脂肪族-CH/芳香族C=C逐年升高.连作5年土壤颗粒有机碳含量最高,比对照土壤高5.11倍,之后随连作年限增加颗粒有机碳含量逐渐降低;连作10年土壤矿物结合态有机碳含量最高,比对照高1.84倍,连作5年土壤颗粒有机碳与矿物结合态有机碳含量之比(ω(POC)/ω (MOC))最高,之后随连作年限增加开始下降.综上,棉田长期连作结合秸秆还田后土壤有机质结构趋于脂肪化,土壤矿物结合对有机质保护性升高,有机质稳定性升高.

次生演替是森林土壤有机碳、氮库变化的重要驱动因素.本研究以长白山原始阔叶红松林和杨桦次生林为例,通过成对样地途径,研究了森林土壤有机碳、氮的数量分布及其协同积累特征,探讨了次生演替导致的温带森林土壤碳库和碳汇效应变化及其碳氮耦合机制.结果表明:杨桦次生林比原始阔叶红松林在土壤表层和亚表层(0～20 cm)积累了更多的有机碳和氮,其土壤C/N值也显著低于阔叶红松林;相对于阔叶红松林,杨桦次生林土壤(0～20cm)有机碳储量平均增加了14.7 t·hm-2,相当于29.4 g·m-2·a-1的土壤碳汇增益.土壤有机碳和全氮在不同林型的不同土层中均表现为极显著正相关,二者具有明显的协同积累特征.与阔叶红松林生态系统相比,相对富氮的杨桦次生林生态系统的上部土层中氮对有机碳的决定系数明显高于阔叶红松林,说明杨桦次生林土壤有机碳的积累在更大程度上依赖含氮有机质积累.在有机质最丰富的表层(0～10 cm),两种林型间轻组有机碳、氮储量无显著差异,但杨桦次生林重组有机碳、氮的含量、储量及分配比例均显著高于阔叶红松林,其中,重组有机碳储量平均增加了8.5 t·hm-2,表明次生演替过程中土壤有机碳、氮库的增加主要在于矿物质结合态稳定性土壤有机碳、氮库的增容.凋落物分解和稳定性土壤有机质形成中的碳氮耦合机制是次生演替过程中土壤有机碳、氮库变化的重要驱动机制.