土壤微生物对大气CO_2浓度升高的响应研究

土壤微生物对大气CO2浓度升高的响应是全面评价大气CO2浓度变化对陆地生态系统影响的关键。文章简要回顾了人工控制微域生态环境CO2浓度增高的研究技术及其发展,并着重介绍了新兴的FACE(Free-air CO2enrichm ent,开放式空气CO2浓度增高)研究手段,进而从土壤微生物区系和生物量、微生物呼吸和酶活性、菌根菌侵染和根瘤共生、土壤硝化和反硝化四个方面综述了大气CO2浓度升高影响土壤微生物的试验报道结果,最后结合新兴的土壤微生物分子生态学研究手段论述了该领域今后应关注开展的主要方向。     

土壤碳转化对大气CO_2升高响应机制研究进展

土壤有机碳是地球表层最大的碳库,其微小的变化将影响大气CO_2浓度,而使土壤成为CO_2的源或汇。在大气CO_2浓度升高的大背景下,土壤碳库的转化与更新过程在时间和空间上发生改变。由于土壤本身及环境条件的差异性,土壤碳转化过程对CO_2浓度上升的响应差异较大,要阐明这些差异,理清土壤"碳汇(源)"功能,必须全面深入了解土壤碳转化对CO_2的响应机理。然而,长期以来,关于CO_2升高对土壤地上部碳输入的影响研究较多,而针对土壤有机碳对CO_2升高的响应,尤其是响应的内在机制研究不足。本文主要依据近10年相关研究报道,在论述CO_2浓度升高对土壤有机碳含量影响的基础上,从微生物学、土壤酶活性及与其他影响因素的耦合效应揭示CO_2浓度升高对土壤有机碳转化内在机制的研究进展,并展望了未来相关研究的主要方向,旨在为将来农田土壤管理决策提供科学的理论依据。     

大气CO_2浓度升高对植物影响的研究进展

CO2是植物光合作用的底物,也是构成植物生境的一种环境因子。随着现代工农业的发展与人类活动的增加,大气中CO2浓度将会不可避免的呈升高趋势。这种趋势将对植物生长发育及生物产量产生影响,最终将影响人类的生存环境,因此,近年来对其研究逐渐增多。综述了国内外学者对植物的形态学特征、生物量的变化、生理生化机制、根系分泌物及根际微生物等受大气中CO2浓度升高的影响等方面的研究。结果表明,CO2的浓度升高会增加植物的根系面积、增加叶片的厚度、促进根系分泌物的释放,改变根际微生物的多样性,也可能会提高植物的呼吸作用和光合速率。     

大气CO_2浓度升高对陆地生态系统土壤固碳的可能影响

陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。大气CO2浓度升高直接或间接地影响土壤碳的固定,碳在土壤的不同固定机理反映了碳的稳定性和周转过程,本文综述了影响碳固定的物理、化学和生物学机理,土壤碳固定的不同状态发生的主要机理不同;受大气CO2浓度升高影响时间长短不一,主要过程有所侧重,但三种机理相互影响。     

CO_2浓度升高对土壤微生物及土壤酶影响的研究进展

概述了大气CO2浓度条件下,土壤微生物生物量C、土壤微生物区系、土壤细菌群落结构以及土壤酶的变化等方面的研究进展。并提出在CO2浓度升高条件下,根际微生物的优势种群的变化趋势和根系分泌物与根际微生物之间相互影响的研究是今后的研究趋向。     

铜污染胁迫条件下农田土壤酶活性及微生物多样性对大气CO2浓度升高的响应

在开放式大气CO2浓度升高平台上（Free-Air CO2 Enrichment,简称FACE）,采用盆栽实验,研究了不同浓度Cu污染胁迫条件下,稻麦轮作土壤中土壤酶活性及土壤微生物多样性对大气CO2浓度升高的响应。结果表明,大气CO2浓度升高显著诱导了清洁土壤中蛋白酶、脲酶、尿酸酶活性以及微生物多样性;正常大气和大气CO2浓度升高条件下,3种酶活性都随着土壤Cu污染胁迫的增加而逐渐降低;低浓度Cu污染胁迫条件下（50 mg.kg^-1）,FACE圈中的土壤脲酶和蛋白酶活性显著高于正常大气（Ambience）圈,尿酸酶活性无显著变化;高浓度Cu污染胁迫条件下（400 mg.kg^-1）,土壤脲酶与蛋白酶活性无显著变化,尿酸酶活性则显著降低,其原因可能与不同酶系对铜污染胁迫的敏感差异性以及大气CO2浓度升高对土壤中铜的活化作用有关。与清洁土壤相比,低浓度Cu污染（50 mg.kg^-1）对微生物生长具有一定的刺激作用,Ambience圈和FACE圈土壤微生物多样性都有所增加,FACE圈中这种现象更为明显;高浓度Cu污染胁迫（400 mg.kg^-1）对土壤微生物表现出了明显的毒害作用,微生物多样性有所降低,但在FACE圈中土壤微生物多样性的降低程度要低于Ambience圈,其影响机制有待进一步研究。     

水力侵蚀对土壤碳循环及土壤微生物多样性影响的研究进展

[目的] 针对水力侵蚀对土壤碳循环"源汇"效应争议,综述水力侵蚀对土壤有机碳矿化作用和土壤微生物多样性的影响机制,提出未来定量研究的方向与注意事项。[方法] 在提出水力侵蚀对土壤碳循环"源"汇"效应概念和理论的基础上,分析现阶段研究中水力侵蚀对土壤碳循环"源汇"效应争议的核心问题,进而探讨水力侵蚀导致不同种类土壤微生物多样性变化的差异及其作用机制。[结果] 水力侵蚀过程导致土壤有机碳矿化作用形成碳循环中的"源"效应,而沉积过程导致有机碳迁移至低洼处固存形成碳循环中的"汇"效应,微生物的呼吸和分解作用可能解释土壤碳循环中消失的碳"汇"问题;水力侵蚀过程削弱细菌群落结构复杂性,而沉积过程可增加细菌群落结构的复杂性,但侵蚀和沉积过程都可能降低土壤真菌的α多样性和群落结构复杂性;水力侵蚀过程通过影响土壤有机碳含量、植被覆盖度和土壤pH等因素间接影响土壤微生物多样性。[结论] 未来研究应强化不同尺度水力侵蚀过程对土壤碳循环的影响机制、水力侵蚀过程与土壤微生物多样性的相互作用机制及水力侵蚀过程中土壤微生物对碳循环的影响机制相关量化研究。     

土壤酶活性对温度和CO2浓度升高的响应研究

作为土壤生态系统中的重要组成部分及生物元素循环的积极参与者,土壤酶在陆地生态系统地下生态过程中扮演着十分重要的角色。升高温度和(或)大气CO2浓度可能直接或者间接影响其活性。但目前对温度和(或)大气CO2浓度升高对土壤酶的影响机理、过程及土壤酶对其的响应机制研究相对薄弱。本文初步总结了国内外关于温度和(或)大气CO2浓度升高对土壤酶活性影响研究的现状,并指出了目前研究中存在的不足。     

大气CO2浓度升高对土壤碳库的影响

土壤碳库是输入、输出土壤碳量的平衡:大气CO2浓度升高有可能通过生态系统中的各种生理过程来增加输入土壤的碳量,输入土壤碳量的增加使土壤成为一个潜在的碳汇,有可能缓解大气CO2浓度的升高;但另一方面输入土壤碳量的增加,为微生物的生长提供了能量,从而提高了微生物的活性,因此土壤呼吸增强,土壤碳输出增加.本文综述了大气CO2浓度升高对土壤碳输入、输出的影响以及目前研究中存在的争论,并提出有待进一步研究的领域和方向.     

农田生态系统碳循环模型研究进展和展望

农田生态系统是陆地生态系统碳循环过程中最活跃的碳库。研究农田生态系统碳循环,对温室气体减排及研究全球气候的变化都具有极其重要的意义。农田生态系统碳循环研究是一个非常复杂的过程,碳循环模型是研究农田生态系统碳循环最有效的手段。该文综述了农田生态系统碳循环的最新研究进展,总结了农田生态系统碳循环的流动过程,介绍了碳素在不同碳库以及碳库不同组分之间迁移转化的规律,梳理了从1960年至今的农田生态系统碳循环模型并进行了分类,阐述了国际主要模型以及中国自主开发的碳循环模型的应用情况。未来农田生态系统碳循环的研究方向为:1)探索农田生态系统碳循环机制;2)从空间时间上完善对碳循环过程的研究;3)考察氮循环、水循环、微生物与碳循环的关系;4)利用碳循环模型来估算不同的管理实践下碳在不同农田的再分配;5)开发利用碳循环模型,为政府制定相关政策提供相关数据参考。     

高浓度CO_2地下泄漏对土壤微生物群落结构的影响

通过模拟高浓度CO_2在农田土壤中的地下泄漏,研究了不同浓度CO_2泄漏情景下土壤微生物多样性的变化。实验设置了400 g m~(-2) d~(-1)、800 g m~(-2) d~(-1)、1 200 g m~(-2) d~(-1)和2 000 g m~(-2) d~(-1)持续CO_2通气60 d共计4个处理,并与对照组、恢复组(2 000 g m~(-2) d~(-1)组停止通气60 d后)分期采集土壤样品,分析土壤理化性质、土壤闭蓄的气体浓度、微生物多样性指数及主要类群变化规律。结果表明,4种处理均提高了土壤中CO_2浓度,分别为1.60%、4.80%、10.80%和19.60%。土壤微生物多样性Chao指数和Shannon指数随CO_2通入量增加而减少,降幅分别达17.00%~27.80%和6.10%~9.50%。相反,非度量多维尺度(NMDS)分析显示土壤微生物β多样性在中、低浓度升高,在高、极端浓度表现为降低。拟杆菌属(Bacteroidales)相对丰度随CO_2泄漏量增加从3.09%上升至21.20%,可作为高浓度CO_2泄漏生态安全性评估的敏感性指标。基于高通量序列相似度OTU分类的RDA分析表明土壤环境因子的变化能够较好地解释微生物多样性演替。研究结果为评估和监测地下CO_2泄漏对近地表生态系统环境风险提供科学依据。     

农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响

温室气体排放引起的全球气候变暖和平流层臭氧空洞已成为当前人们关注的环境问题之一。土壤碳库作为地表生态系统中最活跃的碳库之一,是甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等温室气体的重要释放源,也是重要的吸收汇。因此,寻找农田土壤系统碳管理的有效方法已经成为缓解温室效应的重要科学问题。西方发达国家已将固碳农业作为环境管理的重要导向,应用颗粒分组13CNMR或CPMAS-NMR技术对土壤碳固定的机制研究指出微团聚体与矿物-粘粒复合体的相互作用是土壤有机碳稳定存在的主要方式,揭示了土壤有机碳的腐殖质转化及其与土壤矿物、金属氧化物结合的微观水平,且从土壤物理结构、化学组成和生物学特性等多学科交叉研究土壤有机碳的固定机理及其稳定机制。长期传统的土地利用方式和管理措施所导致的土壤有机碳含量、密度及垂直分布的变化是造成土壤碳库损失的主要原因,为了增加农业生态系统土壤有机碳的含量,土地利用方式和农业管理措施应该从增加有机碳输入量和减少有机碳矿化两方面着手,加强对农业土壤固碳潜力和土壤碳库稳定性影响因素的多角度研究。     

稻田CO2排放对大气CO2浓度升高的响应

利用FACE (free-air carbon dioxide enrichment)平台,采用静态暗箱-气相色谱法,研究了大气CO2浓度升高对稻田土壤CO2通过土壤-大气(土气)和植被-大气(植气)界面排放的影响.在整个水稻生长季中,土气界面CO2排放通量与土壤表面水层深度指数负相关,且在中期烤田和收获前排水阶段出现较大值;而植气界面CO2排放通量与根系生物量的变化趋势基本一致.在低氮(N 125 kg/hm2)和常氮(N 250 kg/hm2)水平上,高浓度CO2(对照大气CO2浓度+200 μmol/mol)有提高水稻生物量、降低土气和植气界面CO2累积排放量的趋势.在水稻的拔节、抽穗和成熟期,较高的施氮量显著增加水稻地上部分生物量,促进植气界面CO2的排放.研究结果表明,未来大气CO2浓度升高的环境下,稻田生态系统有增加CO2的固定(增加水稻生物量),减少CO2的排放(土气和植气界面CO2的排放)的趋势,可能发挥着碳汇的作用.     

水稻秸秆施用后土壤溶解性有机碳的变化与土壤CO_2排放

为了进一步认识水稻秸秆还田后土壤有机碳固定机制,以浙江两种典型水稻土淡涂泥、青紫泥为研究对象,并以不加秸秆为对照,研究秸秆施用下土壤溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)含量以及CO_2产生速率的动态变化,以及秸秆分解产生DOC在土壤中的吸附作用。结果表明,添加秸杆显著增加了土壤CO_2排放,总矿化碳量表现为10%>5%>2%>CK;土壤CO_2产生速率的变化与DOC含量变化具有高度一致性,都表现为先快速上升-急剧下降-缓慢下降-趋于稳定的变化模式,两者呈显著正相关(P<0.01),但在石英砂处理中两者则无明显相关性。DOC吸附实验表明随着秸秆分解时间延长,所产生的DOC在土壤中的吸附作用增强。pH和本底DOC较低的青紫泥对DOC具有更强的吸附作用,其CO_2排放速率和总矿化碳量均显著低于淡涂泥,青紫泥更有利于秸秆还田有机碳的保留和稳定。该结果表明秸秆分解前期产生DOC主要以CO_2形式释放,分解后期产生DOC更倾向于土壤有机碳固定,增加土壤对DOC的吸附作用有利于土壤固碳。     

大气CO2浓度升高和氮肥水平对麦田土壤有机碳更新的影响

依托FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术平台,采用稳定¹³C同位索法,通过将C₃作物小麦种植于长期单作玉米的C₄土壤上,研究了大气CO₂浓度升高和不同氮肥水平对水稻-小麦轮作制中冬小麦生长季土壤有机碳更新的影响。结果表明,种植一季小麦后土壤有机碳的δ¹³C值显著降低,小麦生长改变了土壤有机碳的组成,大气CO₂浓度增加促进作物向土壤中输入更多的碳。大气CO₂浓度升高增加了麦田土壤有机碳的更新率,使土壤有机碳的更新率由3.61%(施氮量为150 kg hm^-2,LN)～4.59%(施氮量为250 kg hm^-2,HN)提高至6.72%（LN）～8.55%（HN）,分别增加72.7%和86.1%。结果表明,大气CO₂浓度升高和提高氮肥用量将加快农田土壤有机碳的更新。     

铜镉污染土壤上CO2升高对水稻光合特性的影响

采用盆栽试验,在开顶式气室(Open Top Chamber,OTC)中种植水稻,研究了南北方10个水稻品种(5种籼稻、5种粳稻)在CO2浓度升高下不同污染土壤上不同生育期的光合特性影响.研究结果表明:高CO2浓度和正常CO2浓度条件下,大部分的水稻品种最大光合速率在分蘖期,在成熟期最小;CO2浓度升高使水稻在不同生育期光合速率都增加,且在不同污染土壤上的水稻品种光合速率变化一致,5种粳稻光合速率增加幅度均在抽穗期最大,其增加幅度在高污染土壤和低污染土壤上分别为:64.14％～ 143.19％、73.58％ ～132.3％,5种籼稻光合速率增加幅度均在成熟期最大,其增加幅度在高污染土壤和低污染土壤上分别为:104.33％ ～ 256.00％、100.99％～254.81％.CO2浓度的升高对光合速率、胞间CO2浓度的影响表现出趋势一致性变化,且都达到了显著水平,气孔导度与蒸腾速率在CO2浓度升高的情况下在各个生育期的变化趋势不一致,且都没有达到显著水平.     

大气CO2浓度缓增对稻田土壤甲烷氧化过程的影响

微生物介导的甲烷好氧氧化,对控制稻田甲烷排放起着重要作用。本文从基因、群落、活性等多个层次上解析CO₂浓度缓增对稻田土壤甲烷好氧氧化过程的影响及其作用机理。依托于田间CO₂浓度自动调控平台,在背景CO₂浓度(AC)基础上,设置了CO₂浓度缓增处理(每年增加40μL·L^-1,持续4年)(EC)。采用室内泥浆培养以及高通量测序和定量PCR技术,对不同CO₂处理下水稻关键生育期(分蘖期、拔节期、扬花期和乳熟期)土壤中的甲烷氧化潜势及其功能微生物的丰度和群落结构进行了系统研究。结果表明：大气CO₂浓度升高促进了稻田甲烷氧化潜势和甲烷氧化菌丰度的增加;CO₂浓度升高还使得土壤中甲烷氧化菌的群落结构发生了显著变化,其优势菌从Ⅱ型菌转变为Ⅰ型菌。CO₂浓度升高所致的土壤中甲烷、氧气浓度以及氮素水平等的改变很可能对稻田甲烷氧化过程产生了重要影响。综合本研究发现,稻田甲烷氧化过程对大气CO₂     

农田土壤理化性质对土壤微生物群落的影响

农田土壤系统是陆地生态系统的重要组成部分,也是受人类影响最多的生态系统。土壤微生物参与调节大部分土壤生物化学过程,在土壤碳循环过程中发挥着不可替代的作用。农业措施的变化会改变土壤理化性质,而土壤理化性质的变化又影响着微生物的群落特征等。因此为深入探究土壤理化性质变化对土壤微生物群落的影响,简述了农田土壤物理性质(密度、孔隙、水分、温度)及化学性质(土壤pH、土壤有机质)对土壤微生物群落的影响,并且指出了目前研究存在的问题及未来的研究方向。     

大气CO_2浓度富集对华北平原农田土壤可溶性碳含量的影响

<正>由温室气体排放导致的气候变化是当前全球关注的热点问题之一[1]。化石燃料燃烧、水泥生产、土地利用变化等人类活动向大气中排放大量CO2,进而引起全球变暖和地球系统碳循环过程的显著变化。研究表明,大气CO2浓度已由1870年的280μmol mol-1增加至2005年的379μmol mol-1,目前仍以1.9μmol mol-1a-1的速率急剧攀升;同期地表温度平均增加了0.74℃(变幅0.56~0.92℃)[2]。根据《中国应对气候变化国家方案》     

近地层臭氧浓度升高对稻麦轮作农田土壤生物学特性的影响

利用中国臭氧FACE(free-air O3concentration enrichment,开放式空气臭氧浓度增高)试验平台,通过对稻麦轮作农田土壤微生物生物量碳、土壤脱氢酶、蔗糖转化酶活性的测定,研究了近地层臭氧浓度升高条件下,2009年和2010年两年土壤生物学特性的响应。结果发现,1.5倍环境臭氧浓度下(≈70 nmol/mol),土壤微生物生物量碳有上升趋势,土壤脱氢酶和蔗糖转化酶活性显著增强(P<0.05)。土壤微生物对土壤碳源利用能力增强和数量的增加势必会加快土壤有机质的分解和周转,以致在大气臭氧浓度升高的一定阶段内可能会增大稻麦轮作农田温室气体的排放。