温带针阔叶林土壤有机碳动态和微生物群落结构对有机氮添加的响应特征

森林生态系统土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)转化和碳储量动态对大气氮沉降增加的响应是具有特异性的,取决于土壤初始氮状态、施氮类型、剂量与持续时间。过去相关研究主要集中在无机氮沉降效应方面,对有机氮沉降如何影响温带针阔混交林SOC及其组分含量尚不清楚,鲜有研究关注氮素富集条件下SOC变化的微生物学机制。以长白山温带针阔混交林为研究对象,设置4个尿素添加水平(0、40、80、120 kg·hm~(–2)·a~(–1),以N计,下同)的原位控制试验。施肥三年后,采集0～10 cm矿质层土壤样品,测定土壤不同形态氮含量、土壤团聚体比例和不同粒径SOC含量;利用磷脂脂肪酸(PLFA)技术测定土壤微生物不同种群相对丰度与群落结构,探讨SOC含量变化与微生物群落变化之间的相关关系。结果表明,施氮三年显著增加了土壤NO_3~--N、DON和TN含量,土壤酸化明显。施氮虽然未显著增加表层土壤总SOC含量,但是显著增加活性SOC组分(颗粒态有机碳和团聚体结合态有机碳)含量,增幅介于27.5%～96.3%,导致SOC组分发生累积的大气氮沉降临界负荷为80kg·hm~(–2)·a~(–1)以N计下同。SOC含量的变化(ΔSOC)与团聚体结合态有机碳、颗粒态有机碳含量的变化正相关。除好氧细菌丰度外,施氮总体上未改变微生物种群丰度,但是显著改变了微生物的群落结构,革兰氏阳性细菌/革兰氏阴性细菌(G+/G–)丰度比例增加而好氧/厌氧细菌(A/AN)丰度比例下降。有机氮富集倾向于促进温带针阔混交林土壤团聚体的形成,局域产生厌氧微环境,好氧/厌氧细菌(A/AN)丰度比例下降。活性SOC组分含量、土壤团聚体百分比和微生物PLFA丰度之间显著相关,暗示微生物群落结构与SOC积累和稳定之间关系密切。上述研究结果表明,氮素富集会改变温带针阔混交林土壤微生物群落结构,进而导致土壤碳积累。     

人工草地土壤有机碳组分与微生物群落对施氮补水的响应

【目的】 人工草地建设是缓解天然草地放牧压力、促进退化草地恢复的有效方式。开展施氮和补水对呼伦贝尔人工草地土壤有机碳（SOC）组成、土壤微生物群落数量和活性变化的研究,以深入认识不同管理方式对人工草地土壤碳截存及其稳定性的影响及调控机制。【方法】 在3种人工草地种植模式（紫花苜蓿单播、无芒雀麦单播及苜蓿-无芒雀麦混播）下构建施氮（0、150 kg N·hm^-2·a^-1）和补水（0、60 mm）双因素试验,采集各处理土壤样品,使用SOC物理分组、磷脂脂肪酸（PLFA）分析以及土壤酶活性测定,分析不同水氮处理对SOC组分以及土壤微生物数量、组成和活性的影响,揭示土壤微生物群落组成或活性与SOC组分的耦联关系。【结果】 3年的施氮和补水处理显著影响不同土壤有机碳组分的含量。施氮处理整体上增加了苜蓿单播和苜蓿-无芒雀麦混播草地土壤的颗粒态有机碳（POC）含量,但是降低了矿物结合态有机碳（MAOC）的含量,而旱季补水则显著提高了无芒雀麦单播草地土壤粗颗粒态有机碳的含量。施氮和补水对土壤微生物群落数量和组成没有产生显著影响,但是显著影响了4种土壤酶的活性。单施氮处理显著降低β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）在苜蓿单播草地土壤中的活性,但是显著提高其在无芒雀麦单播草地土壤中的活性。单补水处理显著降低了苜蓿单播和无芒雀麦单播草地土壤的纤维二糖水解酶（CB）和NAG活性。补水+施氮处理显著降低苜蓿单播草地土壤中β-葡萄糖苷酶（βG）、CB和NAG的活性,但显著提高苜蓿-无芒雀麦混播草地土壤中CB活性。不同水氮处理下土壤总PLFA及各微生物类群PLFA的变化量与POC变化显著正相关,而与MAOC显著负相关。βG和CB活性以及土壤酶C/N比、C/P比的变化量则与POC变化量负相关,并且在补水情况下更为显著。【结论】 在呼伦贝尔半干旱区人工草地,施氮显著促进土壤活性碳组分积累、降低惰性有机碳组分含量,不利于土壤碳库的稳定性。补水和施氮显著影响了土壤微生物群落的活性,并且不同水氮处理下土壤酶化学计量比的变化与土壤有机碳组分变化密切相关。这些结果表明人工草地土壤微生物对碳、氮、磷养分需求的差异是调控活性有机碳组分周转的重要驱动力。     

氮磷富集对森林土壤碳截存的影响研究进展

大气氮磷沉降增加森林土壤养分的可利用性,改变底物的化学质量、土壤微生物组成和功能,进而影响土壤有机质的储量与稳定性。然而,现有研究主要集中在氮素富集对自然森林生态系统碳截存的影响,有关磷富集以及氮磷交互对人工林土壤有机碳(SOC)截存的影响及其微生物学机制尚不清楚。本文综述了氮磷富集对森林土壤碳转化和净交换通量、土壤有机质(SOM)的激发效应、SOM组成与稳定性以及介导碳转化功能微生物群落的影响,并指出各个研究环节的不足,包括:(1)森林土壤碳通量及其组分对氮磷富集的非线性响应方程及临界阈值尚未确定;(2)氮磷富集对森林SOM激发效应的影响程度与潜在机制知之甚少;(3)SOM的物理-化学协同稳定机制研究不够深入;(4)土壤活性微生物群落组成、SOM化学结构与SOC累积之间的耦联关系尚不清晰。据此,指出未来研究重点与研究思路:基于多水平氮磷添加控制试验和~(13)C标记培养实验,利用原位监测、土壤化学(~(13)C-NMR和Py-GC/MS)、宏基因组测序的分子生物学方法,重点研究氮磷添加及其交互作用对人工林土壤碳排放与流失通量、微生物激发效应、SOM组成与化学稳定性以及功能微生物群落组成的影响,确定土壤碳输出通量对氮磷添加的非线性响应方程与氮沉降临界负荷,阐明分解微生物群落组成与土壤碳转化及稳定性的耦联关系,揭示氮磷交互影响人工林土壤碳积累与损耗的微生物学机制。研究结果有助于控制森林尤其是人工林土壤碳损失,有效降低陆地"氮促碳汇"评估的不确定性,并可为森林生态系统应对全球变化提供科学依据。