丛枝菌根真菌介导的土壤有机碳稳定机制研究进展

土壤有机碳(SOC)的稳定是陆地生态系统碳循环的关键过程之一,对维持土壤肥力和减少温室气体排放具有重要意义。以往认为植物残体中难降解性物质的物理保护和腐殖质影响土壤中有机碳库的稳定性。最近的研究结果表明,微生物介导的碳循环过程在土壤有机碳稳定中发挥着重要作用。丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)作为土壤中一类重要的共生微生物,参与植物光合碳向土壤的转运和分配,是陆地生态系统碳循环的重要一环,但其在土壤有机碳稳定中的作用潜力还未得到充分挖掘。基于此,本文估算了植物光合碳在AMF根外菌丝的分配量;总结了AMF介导的土壤有机碳稳定机制,主要包括AMF活体菌丝对碳的截留,分泌物及残体的分子结构抗性和土壤矿物吸附,提高植物源碳的质量和数量,菌丝分泌物及残体的激发效应和稳定土壤团聚体;探讨了影响AMF介导的稳定性有机碳形成的非生物(气候因子、土壤养分和土壤矿物)和生物因子(植物和AMF种类);提出了AMF与土壤有机碳周转互作机理进一步的研究方向,包括探究菌根植物光合碳转化为稳定性SOC的机制,解析不同生态系统中AMF对稳定性SOC的贡献及影响因素,并厘清...     

微生物残体在土壤中的积累转化过程与稳定机理研究进展

近年来,关于微生物残体在土壤有机质积累和转化过程中的作用越来越受到研究者的关注。土壤有机质中微生物残体的数量和组成比例变化与土壤有机质的形成、容量大小及周转特征密切相关。对目前土壤微生物残体研究方面的相关进展进行了梳理和总结,在明确土壤微生物残体的来源及其重要性的基础上,介绍了土壤微生物残体定量和转化的表征方法,阐述了微生物残体在土壤有机质积累转化过程中的作用及其主要影响因素,探讨了微生物残体在土壤中的稳定机制,提出了微生物通过同化代谢作用驱动细胞残体积累进而促进土壤有机质积累和稳定过程中亟待探讨的科学问题。期望为进一步探究陆地生态系统土壤有机质周转与微生物过程的相互作用机理提供一定的思考。     

植被恢复的土壤固碳效应：动态与驱动机制

植被恢复是影响土壤有机碳库动态变化的关键过程之一,阐明植被恢复过程中土壤有机碳的固持动态及其驱动机制,是全球变化下碳循环研究的热点和前沿问题。本文综述了近年来国内外关于植被恢复过程中土壤有机碳固定动态及其驱动机制方面的研究,剖析植被恢复中土壤有机碳固持动态及其影响因素,探讨植物碳输入对土壤有机碳动态变化的影响机制,揭示植被恢复中土壤有机碳固定的物理、化学和微生物驱动机制,并对目前研究中存在的问题进行总结,进而提出关于植被恢复的土壤固碳效应研究,亟需在土壤有机碳组分的动态、微生物结构和功能,以及植物—土壤—微生物对土壤有机碳固持的协同作用机制等方面进一步加强。本综述可为植被恢复与土壤固碳稳定机制研究指明未来的方向,进而为促进我国植被恢复的土壤碳循环研究,科学评价生态系统土壤固碳潜力和有效实施生态系统碳汇管理提供科学参考。     

连年秸秆覆盖对玉米产量及土壤微生物残体碳积累的影响

为明确连年秸秆覆盖对玉米产量及土壤微生物残体碳的影响,从而揭示秸秆覆盖条件下土壤有机碳积累的微生物学机制,该研究基于田间8 a长期定位小区试验,比较了不覆盖秸秆(CK)和覆盖秸秆(SM)两处理中玉米产量,同时利用一阶动力学模型对土壤(0～10 cm和10～20 cm)中有机碳、微生物残体碳及两者比例的年际变化进行了拟合。结果表明:1)秸秆覆盖在前5 a内没有显著提高玉米产量,第6年开始产量显著增加;在前2～3 a没有显著提高土壤有机碳和微生物残体碳含量;2)利用一阶动力学模型参数得到,SM处理显著提高了表层土壤有机碳、微生物残体碳以及两者比例的最大值,较CK处理分别高12%、39%、6%;3)SM处理显著延长了表层土壤有机碳、微生物残体碳以及两者比例达到最大值的时间,较CK处理分别多13、12和2.5 a,然而SM处理并没有显著影响下层土壤有机碳、微生物残体碳及两者比例的变化。因此,秸秆覆盖能够通过显著提高表层微生物残体碳及其对土壤有机碳的贡献,进而有利于对整个耕层土壤有机碳的固持。     

强冻融作用下土壤微生物残体碳的累积特征及其对玉米秸秆输入的响应

  【目的】  微生物残体碳是土壤稳定碳库的主要组成部分。探究不同冻融强度下东北黑土区土壤真菌和细菌残体碳的变化和积累特征,以及玉米秸秆对这一过程的影响,以加深对东北黑土土壤有机碳循环过程和微生物调控机理的认知,为东北黑土区土壤肥力提升提供理论支撑。  【方法】  研究采用室内模拟培养试验,供试材料为玉米秸秆和黑土。设置3个冻融强度处理:弱冻融(融冻温度/冻结温度为5℃/?4℃)、强冻融(融冻温度/冻结温度为5℃/?9℃)和5℃常温对照,每个冻融处理分别设置添加和不添加玉米秸秆处理。一个冻融循环为土壤样品在5℃培养24 h,逐渐降低温度至冻结温度,保持48 h,然后升温至5℃,直到总时间96 h (4天),然后进入下一个循环。冻融试验共进行了16次循环,总培养周期为65天。在第0、3、8、12和16次冻融后采集土壤样品,测定土壤氨基葡萄糖(真菌残体标识物)和胞壁酸(细菌残体标识物)含量,分析微生物残体碳的累积特征及其对土壤有机碳的贡献。  【结果】  不添加玉米秸秆条件下,强冻融处理在前期较恒温对照显著增加了真菌和细菌残体碳含量及其对土壤有机碳的贡献,降低了土壤真菌细菌残体碳比值(F/B),而弱冻融处理相关指标较恒温处理则变化不明显;在第16次循环,强冻融显著降低了微生物残体碳含量及其对土壤有机碳的贡献,增加了F/B值。在恒温和弱冻融处理中,添加秸秆在前期促进了真菌和细菌残体碳的累积,但在第16次循环,降低了真菌和细菌残体碳含量;而在强冻融处理中,添加秸秆则在试验结束时显著增加了细菌残体碳含量,降低了F/B值。试验结束时,添加秸秆后不同冻融强度对微生物残体碳贡献率影响不大。  【结论】  反复多次强冻融会降低土壤中微生物残体碳的累积,尤以细菌残体碳损失比例更大。添加玉米秸秆对真菌残体碳积累无显著影响,但能够显著增加细菌残体碳的积累,增加细菌残体碳的比例和其对土壤有机碳的贡献,在一定程度上抵消强冻融对微生物残体碳累积的不利影响。因此,添加秸秆可提高反复强冻融土壤中微生物源碳的稳定性。     

土壤矿质结合态有机碳形成及稳定机制的研究进展

随着分子生物学的发展，微生物的作用改变了科学界对土壤有机碳(SOC)形成和固持的认知。土壤微生物残体与矿物结合形成矿质结合态有机碳(mineral-associated organic carbon, MAOC)加深了对SOC固存的理解。MAOC是以土壤微生物残体C为主的SOC组分，主要由分子量相对较低且可识别的微生物残体与矿物表面结合而成。由于MAOC对草地和农田生态系统土壤C库的贡献超过50%,且周转时间较长(百年—千年尺度),研究其形成过程和稳定机制已成为碳中和背景下土壤碳汇的焦点。现阶段的研究明确指出，MAOC的形成和稳定不仅与微生物残体C密切相关，还与土壤矿物有着非常紧密的联系。基于此，聚焦土壤微生物“碳泵”调控SOC形成这一前沿科学问题，围绕土壤微生物残体贡献MAOC形成这一科学构架进行概述，旨在揭示不同来源LMW—DC(溶解态低分子量C底物)对MAOC形成的贡献，探讨土壤矿物对LMW—DC选择性吸附机理，探究MAOC贡献稳定C库的影响因素。并对该研究领域未来的发展进行展望，以期能从分子水平出发，探究不同生态系统、土壤类型及土层深度微生物的调控差异，为土壤有机碳固持的研究提...     

农田土壤有机碳固存的主要影响因子及其稳定机制

农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,在陆地生态系统碳循环过程中发挥重要作用。明确影响农田土壤有机截获的主要因素及土壤固碳的稳定机制,有助于控制和加强农田土壤碳库的固碳潜力,以及正确评价农业生产对全球气候变化的影响。因此,本文综合论述了影响农田土壤碳含量的自然和人为因素,详细阐述了土壤碳固定的物理、化学和生物稳定机制。并总结了已有研究的不足,对今后土壤固碳研究中的热点问题进行了展望。认为从土壤微生物学角度出发,深入研究微生物在土壤有机碳循环中的作用机制,并将地上部和地下部生态系统联系起来探讨土壤碳素稳定性机制更具有重要的意义。     

露天煤矿区复垦土壤碳库研究进展

土壤是地球陆地生态系统中碳的重要贮藏库。露天煤矿区既是"碳源",也是"碳汇",研究其土壤碳的变化对区域碳平衡具有重要意义。本文梳理了当前世界范围内对露天煤矿区土壤碳库的构成、土壤有机碳库的区分测定方法、积累、转化和时空分布的研究。已有研究成果表明:(1)复垦与未复垦排土场中土壤无机碳含量无显著差异。(2)土壤有机碳的含量受复垦植被、年限、地形及土壤理化性质的影响。(3)不同因素通过影响土壤中的矿质态氮和微生物活性而影响有机碳的分解矿化率。(4)不同类型有机碳在土壤剖面中的分布呈不同规律,生物成因有机碳主要积累在土壤表层和亚表层,而地球成因有机碳积累在土壤底层。在此基础上提出深入研究方向:土壤无机碳和有机碳的相互转化关系、土壤碳循环与氮、磷、水循环的耦合关系及与生态系统生物多样性之间的内在联系。     

土壤碳循环研究及中国稻田土壤固碳研究的进展与问题

土壤碳循环是与全球气候变化密切相关的重要地球表层系统过程,是国际地学和生态学界近年来的热点领域。本文简要概述了国际土壤碳循环研究的进展和发展态势,着重讨论了中国稻田土壤固碳研究已获得的认识。提出碳循环研究越来越走向与生物学的结合,且越来越依赖于长期试验和观测。中国稻田土壤的固碳水平、潜力已有较丰富的认识和资料积累,在团聚体尺度上也开展了较多的固碳机理的研究,包括物理保护、化学结合、生物学的稳定等。无论是野外还是实验室的培养均表明稻田土壤碳矿化潜力较低,这与团聚体的物理保护有关外,还与稻田土壤中存在的碳的化学结合而稳定的机制有关;固碳与农田生态系统生产力和生态服务功能的耦合机制是当前稻田土壤固碳研究的中心内容,一些研究已经表明生物多样性可能是控制碳稳定和温室气体减排与生产力提高的关键因素。未来研究的重点是定量表征固碳中碳更新的关键环节,同时需要加强对作物-土壤微生物相互作用对碳输入、转化和固定的影响及机理的研究。中国稻田土壤固碳与农业发展意义值得进一步重视。     

我国湿地碳循环的研究进展

湿地生态系统的碳循环正成为全球变化与陆地生态系统碳循环研究中的一大热点,在稳定全球气候变化中占有重要地位,其重要性主要表现在湿地土壤是陆地重要的有机碳库,土壤碳密度高,能够相对长期地储存碳,是多种温室气体的源和汇。目前湿地碳循环的研究主要集中在碳循环的影响因素方面,对我国湿地土壤有机碳储存的变化及其空间分布规律的特点研究较少。本文通过文献综述,研究我国不同气候区湿地土壤有机碳的储存变化及空间分布规律,对于了解湿地土壤有机碳的储存特点及其与陆地生态系统碳循环的关系,评价和保护湿地生态系统都具有重要的科学意义。     

稻田秸秆还田的土壤增碳及温室气体排放效应和机理研究进展

秸秆还田是水稻生产中普遍采用的一项措施,具有固碳和促进养分元素循环、减少生产中的化肥施用等生态环境功能,但亦存在温室气体排放问题。鉴于秸秆还田对稻田产生固碳和温室气体增排的双重效果,本文综述了稻田生态系统秸秆资源利用现状,探讨了秸秆还田的土壤增碳效应,总结了秸秆还田下的温室气体(CO2、N2O和CH4)排放过程及其微生物过程机理。提出了应加强秸秆还田增碳过程中的物理–化学过程与微生物过程的耦合机理及其对固碳功能的作用机理、稻田温室气体产生机制与控制途径的研究,以实现稻田土壤固碳减排增汇和增产的共轭双赢作用。     

秸秆还田对长期不同施肥黑土微生物残体碳的影响

  【目的】  研究长期施肥以及秸秆还田对黑土中微生物标识物氨基糖含量的影响,以期为调节黑土碳循环提供理论支撑。  【方法】  吉林省农业科学院黑土长期定位试验始于1990年,2018年选取其中不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)和有机肥配施化肥(MNPK) 三个处理进行秸秆微区田间试验。这三个处理的土壤中分别再设加入1 cm 长玉米秸秆6000 kg/hm2的处理(CKS、NPKS、MNPKS)和不加入玉米秸秆的处理(CK、NPK、MNPK),共6个处理。秸秆与土壤混匀后置于PVC框(长0.9 m、宽0.6 m、高0.6 m)内,PVC框上端高于地面20 cm。在PVC框埋入土壤60天(夏季)、150天(秋季)后,取土样测定理化性状及氨基葡萄糖(GluN)、氨基半乳糖(GalN)和胞壁酸(MurN)含量。微生物真菌残体碳和细菌残体碳含量依据各氨基糖含量计算。  【结果】  与CK相比,NPK和MNPK处理能够促进氨基糖在土壤中的积累,其中第60天氨基葡萄糖分别显著增加18.81%和105.36%;胞壁酸分别显著增加19.62%和129.30%。两种施肥措施均能提升土壤中微生物残体碳的含量,而且MNPK处理微生物残体碳积累量较CK处理高出近1倍。各处理中真菌残体碳含量要远高于细菌残体碳含量,两种施肥措施均会降低真菌残体碳占微生物残体碳的比重,说明施肥会增加细菌在这一过程中对黑土有机碳积累的贡献。NPKS处理氨基葡萄糖占总氨基糖含量百分比明显增加,MNPKS处理真菌来源的氨基葡萄糖所占百分比也在第60天、第150天这两个时期内逐渐上升,表明真菌细胞死亡残体积累量在增加。  【结论】  添加秸秆后的MNPK处理促进了黑土中微生物残体碳的积累,NPK处理与秸秆添加相结合可以提高真菌残体碳在微生物残体碳中所占比重。因此,施肥和秸秆添加会使黑土中微生物群落组成发生变化,从而影响微生物残体的积累特征。     

秸秆还田下土壤有机质激发效应研究进展

土壤有机质是农田肥力的基础与核心，对作物产量、农业环境，甚至地球碳循环意义重大。作物秸秆作为农田土壤有机碳库的重要外部补充，其还田过程对土壤有机碳周转和碳库平衡具有显著影响。激发效应是一种因新鲜有机质输入而导致土壤本底有机质矿化速率发生改变的现象。秸秆还田导致的土壤有机质分解激发，不仅涉及到秸秆资源化高效利用，还直接关系到农田土壤碳库的平衡及其功能，因此备受科学界关注。尽管对外源有机质输入引起的土壤有机质激发效应的理论研究已取得了较大进展，但如何结合最新的理论结果到秸秆还田固碳减排的生产实践中仍面临着较大的挑战，这主要归结于对农田土壤有机质分解激发效应的发生特点和规律，及其背后的土壤、气候、管理等相关的驱动因子和过程还未完全明确。据此，本文首先对土壤有机质分解激发效应发生的理论研究进展（包括：共代谢理论、氮矿化理论、化学计量比和微生物残体再利用）进行了系统综述。其次，结合已有的研究证据和理论假设进一步概述了秸秆还田过程中影响激发强度和方向的潜在驱动因素，如：秸秆类型和数量、还田方式、水肥管理、土壤属性、气候因子等。最后，从秸秆还田的高效性、农田碳库的可持续和农业环境的友好性出发，对秸秆还田土壤有机质分解激发的潜在研究方向进行了展望，并就秸秆还田改善土壤碳库的优化措施提出了建议。     

有机物料循环对红壤稻田系统磷素营养的影响

采用动态采样结合室内分析方法,比较研究了中国科学院桃源农业生态实验站的长期田间定位试验中长期施与不施磷肥、有机物料循环再利用和在有机物料循环再利用的基础上配施磷肥等几种施肥模式对土壤Olsen-P含量、水稻不同生育期茎叶和子实磷含量、以及各生育期累积吸收和利用磷的影响。结果表明,长期不施磷肥土壤速效磷(Olsen-P)降低到小于5.mg/kg;施磷肥或有机物料循环再利用模式,土壤Olsen-P维持在5～10mg/kg之间的中等水平;在保持系统内有机物料循环再利用的基础上配施磷肥,土壤Olsen-P迅速提高,超过10.mg/kg。稻田系统内有机物料循环再利用可促进水稻对磷的吸收,增加水稻各生育期茎叶和子实的磷含量,提高各生育期水稻累积吸收磷量和磷的利用率。     

Specific Responses of Soil Microbial Residue Carbon to Long-Term Mineral Fertilizer Applications to Reddish Paddy Soils

Mineral nutrient inputs to soil may alter microbial activity and consequently influence the accumulation of microbial residues. In this study, we investigated the effects of application rates and ratios of mineral fertilizers on the microbial residue carbon(MRC) of reddish paddy soils after long-term(15-year) fertilizer applications in southern China. Contents of three soil amino sugars as microbial residue contents were determined and MRC were calculated based on amino sugars. Results showed that three individual amino sugar contents increased as fertilizer application rates increased until maximum values were reached at a rate of 450-59-187 kg ha~(-1) year~(-1)(N-P-K). The three amino sugar contents then declined significantly under the highest mineral fertilizer application rate of 675-88-280 kg ha~(-1) year~(-1)(N-P-K). In addition, to enhance the microbial residue contents, it was more beneficial to double P(N:P:K= 1:0.26:0.41) in fertilizers applied to the P-deficient reddish paddy soils than to double either N(N:P:K = 2:0.13:0.41) or K(N:P:K= 1:0.13:0.82). The contents of the three individual amino sugars and microbial residues under different fertilizer application rates and ratios were significantly and positively correlated with soil organic carbon(SOC), total N, total P, and p H. Increases in values of the fungal C to bacterial C ratios showed that soil organic matter(SOM) stability increased because of the fertilizer applications over the past 15 years. The contents and ratios of amino sugars can be used as indicators to evaluate the impact of mineral fertilizer applications on SOM dynamics in subtropical paddy soils. The results indicated that fertilizer applications at a rate of 450-59-187 kg ha~(-1) year~(-1)(N-P-K) may improve crop yields, SOC contents, and SOC stability in subtropical paddy soils.     

南方典型水稻土长期试验下有机碳积累机制研究Ⅳ.颗粒有机质热裂解-气相-质谱法分子结构初步表征

采用热裂解-气相-质谱(Pyr-TMAH-GC/MS)技术对长期不同施肥处理下太湖地区黄泥土本体土壤及水稳性团聚体中颗粒有机碳(POC)的化学组分进行了研究。结果表明,POC的热裂解产物主要来源于脂肪族化合物和木质素类化合物。木质素类化合物主要以愈疮木基丙烷(G)和p-羟苯基(P)两种木质素单体为主,从而揭示黄泥土POC积累中草本植物(水稻、油菜的残茬和秸秆)的输入贡献。脂肪族化合物主要为C8-C30脂肪酸甲基酯(FAMEs),且大多为偶数碳结构。施肥改变了各裂解产物在本体土壤和水稳性团聚体中的分布,从而使得不同施肥处理下各类化合物对POC稳定性的贡献出现了差异。化肥配施猪粪下木质素类化合物以及微生物源的脂肪族化合物均贡献于本体土壤POC的积累与稳定,而化肥配施秸秆下本体土壤POC的化学稳定性主要归因于高等植物源化合物的贡献,其次为微生物源脂肪族化合物。化肥配施有机肥下水稳性团聚体中较高的POC主要归因于植物源有机物质的分解贡献。本研究揭示了合理施肥下水稻土中有机碳的化学抗性组分在土壤有机碳积累中的促进作用,各组分的相对分布差异可指示有机碳积累的不同来源。     

南方典型水稻土长期试验下有机碳积累机制研究Ⅳ.颗粒有机质热裂解-气相-质谱法分子结构初步表征

采用热裂解-气相-质谱（Pyr-TMAH-GC/MS）技术对长期不同施肥处理下太湖地区黄泥土本体土壤及水稳性团聚体中颗粒有机碳（POC）的化学组分进行了研究。结果表明, POC的热裂解产物主要来源于脂肪族化合物和木质素类化合物。木质素类化合物主要以愈疮木基丙烷（G）和p-羟苯基（P）两种木质素单体为主,从而揭示黄泥土POC积累中草本植物（水稻、油菜的残茬和秸秆）的输入贡献。脂肪族化合物主要为C8-C30脂肪酸甲基酯（FAMEs）,且大多为偶数碳结构。施肥改变了各裂解产物在本体土壤和水稳性团聚体中的分布,从而使得不同施肥处理下各类化合物对POC稳定性的贡献出现了差异。化肥配施猪粪下木质素类化合物以及微生物源的脂肪族化合物均贡献于本体土壤POC的积累与稳定,而化肥配施秸秆下本体土壤POC的化学稳定性主要归因于高等植物源化合物的贡献,其次为微生物源脂肪族化合物。化肥配施有机肥下水稳性团聚体中较高的POC主要归因于植物源有机物质的分解贡献。本研究揭示了合理施肥下水稻土中有机碳的化学抗性组分在土壤有机碳积累中的促进作用,各组分的相对分布差异可指示有机碳积累的不同来源。     

作物残体去向与利用及对土壤氮素转化的影响

近年来,作物残体还田受到了很大的关注,一方面它可以改进土壤氮素的动态变化,减少硝态氮淋失;另一方面可作为提高耕地土壤作为潜在氮储库的一种手段。作物残体是碳、氮的重要源和库,因此还田后会影响土壤中的氮素循环。本文综述了作物残体还田后对土壤氮素转化的影响及残体氮素的利用与去向问题。具体阐述了以下几个方面内容:作物残体的降解过程及影响因素,残体氮素的利用率及去向问题,以及作物残体对土壤无机氮库、有机氮库、微生物特征的影响。     

Long-term impacts of manure, straw, and fertilizer on amino sugars in a silty clay loam soil under temperate conditions

There is increasing evidence that microorganisms participate in soil C sequestration and stabilization in the form of resistant microbial residues. The type of fertilizers influences microbial activity and community composition; however, little is known about its effect on the microbial residues and their relative contribution to soil C storage. The aim of this study was to investigate the long-term impact (21 years) of different fertilizer treatments (chemical fertilizer, crop straw, and organic manure) on microbial residues in a silty clay loam soil (Udolls, USDA Soil Taxonomy). Amino sugars were used to indicate the presence and origin of microbial residues. The five treatments were: CK, unfertilized control; NPK, chemical fertilizer NPK; NPKS₁, NPK plus crop straw; NPKS₂, NPK plus double amounts of straw; and NPKM, NPK plus pig manure. Long-term application of inorganic fertilizers and organic amendments increased the total amino sugar concentrations (4.4–8.4 %) as compared with the control; and this effect was more evident in the plots that continuously received pig manure (P?<?0.05). The increase in total amino sugar stock was less pronounced in the straw-treated plots than the NPKM. These results indicate that the accumulation of soil amino sugars is largely influenced by the type of organic fertilizers entering the soil. Individual amino sugar enrichment in soil organic carbon was differentially influenced by the various fertilizer treatments, with a preferential accumulation of bacterial-derived amino sugars compared with fungal-derived glucosamine in manured soil.