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。     

稻田土壤微生物残体积累对外源秸秆输入的响应研究进展

稻田土壤碳循环是我国陆地生态系统碳循环的重要组成部分。促进稻田生态系统碳的固定及稳定对减缓全球气候变化起着不容忽视的作用。微生物主导的有机碳转化过程是土壤碳循环研究的核心,微生物同化代谢介导的细胞残体迭代积累在土壤有机碳长期截获和稳定过程中发挥重要作用。与旱地土壤相比,关于稻田土壤中微生物残体积累动态对外源有机物质如作物秸秆输入的响应及主要影响因子的认识还相对有限,对微生物通过同化作用参与土壤固碳的过程和机制尚缺乏系统认识。基于此,本文介绍了微生物残体对土壤有机碳库形成和积累的重要性及评价指标,重点探讨了秸秆还田对稻田土壤微生物残体积累动态以及外源秸秆碳形成细胞残体转化过程的影响,分析了影响微生物残体积累转化的主要气候因素和土壤因素,最后提出了未来应借助先进的光谱和高分辨率成像技术并结合同位素示踪对微生物残体的稳定性与机理开展更为深入的研究。     

基于固态13C核磁共振波谱研究植物残体分解和转化机制的进展

植物残体在土壤中的分解和转化影响了其养分归还和有机质形成过程。由于缺乏高分辨率的分析方法,对不同气候、植被和土壤类型条件下植物残体在分解过程中化学结构组成的演变特征和机制仍不清楚。核磁共振波谱技术在解析自然有机物化学组成方面具有独特的优势,本文综述了基于固态~(13)C核磁共振波谱(solid-state ~(13)C-NMR spectroscopy)技术评价植物残体的基质质量、解析植物残体的分解速率及其官能团组成的变化特征、揭示土壤腐殖质特性等方面的主要进展。未来针对植物残体分解和有机质形成机制的研究,应该结合稳定性同位素质谱和扫描电镜分析方法,综合分析植物残体中的有机化合物组成和物理结构;从多时空尺度揭示不同类型植物残体中有机碳官能团的降解路径;结合高通量测序和基因芯片分析方法,深入研究土壤微生物群落与植物残体化学结构的协同演变机制,提出不同气候–土壤–植被类型区促进土壤有机质形成的调控措施。     

植物残体分解过程中微生物群落变化影响因素研究进展

植物残体是土壤有机质的重要来源,研究分解植物残体的微生物群落结构及其演替规律日益受到重视。本文综述了影响植物残体分解过程中微生物群落结构和功能变化的3个主要因素:植物残体的性质、土壤和气候环境因素、农艺措施,这些因素通过影响微生物本身的活性和植物残体分解过程中化学组成的变化从而导致微生物群落的变化,同时植物残体腐解过程中微生物群落存在明显的演替现象。以上因素的影响并不是孤立的,而是相互联系和制约的。未来针对野外田间条件下植物残体的分解过程,仍需深入研究关键微生物群落的演替规律以及不同影响因素的交互作用机制。     

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...     

Factors Affccting Change of Microbial Community During Plant Residue Decomposition: A Review

植物残体是土壤有机质的重要来源,研究分解植物残体的微生物群落结构及其演替规律日益受到重视.本文综述了影响植物残体分解过程中微生物群落结构和功能变化的3个主要因素;植物残体的性质、土壤和气候环境因素、农艺措施,这些因素通过影响微生物本身的活性和植物残体分解过程中化学组成的变化从而导致微生物群落的变化,同时植物残体腐解过程中微生物群落存在明显的演替现象.以上因素的影响并不是孤立的,而是相互联系和制约的.未来针对野外田问条件下植物残体的分解过程,仍需深入研究关键微生物群落的演替规律以及不同影响因素的交互作用机制.     

森林次生演替过程中有机质层和矿质层土壤微生物残体的变化

微生物对土壤有机质(SOM)转化和形成具有重要作用,然而微生物残体对SOM贡献的评估仍是目前的热点。以长白山5个森林次生演替序列(20 a、80 a、120 a、200 a和≥300 a)和2个土壤深度(0～5 cm有机质层和5～15 cm矿质层)为对象,利用氨基糖和中红外光谱技术,探究森林次生演替过程中微生物残体变化及其对土壤有机碳(SOC)的贡献。森林次生演替序列80～200 a显著增加了有机质层和矿质层微生物残体含量及其对SOC的贡献,而在演替300 a均显著降低。森林演替80～200a有机质层和矿质层土壤芳香族碳组分/多糖较低,有利于微生物生物量碳(MBC)产生和微生物碳利用(高的MBC/SOC),促进微生物残体积累及其对SOC的贡献;而演替300 a芳香族碳组分/多糖较高,抑制MBC产生和微生物碳利用,导致微生物残体及其对SOC贡献的下降。SOC含量差异导致不同土壤深度微生物残体含量的变化,有机质层高的SOC产生高的MBC,进而刺激微生物残体积累;此外,有机质层难利用SOM组分高于矿质层,导致真菌残体对SOC的贡献比例下降,而细菌残体的贡献增加。     

营养动力学为基础的生物残体分解的数学模型研究

生物残体是由活的生物(包括动物和植物)死亡后形成,如森林砍伐后遗留的树桩,温带森林中每年一度集中产生的枯枝落叶,森林和草原中大型动物死亡遗留的尸体,这些生物残体一般都独自形成一个实体,不与土壤进行均匀的混合,它们的分解,一般主要不是依靠贮积在土壤中的酶或微生物的作用,它们的分解要经过一个在残体内重新滋长微生物的过程,使残体逐渐腐烂变质,进行分解。因此,生物残体的分解,与其说是分解过程,还不如说是一个微生物的培养过程,或者说是这两个过程相互交错,一方面是微生物种群的增长,另一方面是残体中有机物质被微生物分解、转化、利用和复合成新的有机体,对于这样一个复杂的过程,通常适用于土壤有机质分解过程的Stanford-Smith方程^[2]就不适用了,而建立在营养动力学基础上的单种群模型(崔-Lawson方程^[3-5])却可加以转化用来描述这个过程。     

植物凋落物分解对土壤有机碳稳定性影响的研究进展

凋落物是植物向土壤输入有机碳的主要途径,源于凋落物的碳一部分以CO₂的形式散失到大气,另一部分以有机碳的形式输入到土壤中,在土壤微生物的作用下经过一系列的周转参与稳定有机质的形成。但土壤作为“黑箱”,凋落物向土壤有机碳转移的过程和作用机理仍不明确。结合国内外该研究领域的主要成果,简要介绍了植物凋落物分解的研究方法、土壤有机碳组分及土壤有机碳稳定性,并从植物凋落物分解对土壤有机碳及其组分、土壤呼吸和激发效应、土壤微生物群落结构及酶活性的影响以及植物-土壤-微生物相互作用过程对有机碳稳定性的影响等方面进行概述,厘清植物凋落物分解与土壤稳定有机碳形成的关系,并提出了未来该领域亟待关注的研究方向和研究内容。     

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...     

气候变化对土壤有机碳库分子结构特征与稳定性影响研究进展

气候变化与土壤碳库之间的相互作用及耦合机制一直是学术界研究的热点与难点。虽然目前在群落—生态系统、区域—全球等不同尺度上开展了大量研究,然而在分子尺度上探究气候因子波动对土壤有机碳库化学结构特征影响机制方面却鲜有研究。本文综述了近年来气候因子变化及其导致的环境、生态因子变化与土壤有机碳库分子结构特征的关系。气温升高不仅将改变土壤中源自植物部分的有机碳来源特征,同时也会将加速土壤木质素等碳组分分解,排水或者旱化引起有机质分解加速,土壤中C=O键增加。植被演替、土壤动物及微生物等与气候变化密的切相关的生态因子则会影响输入土壤植被残体性质,加速糖类、脂类及木质素分解、并改变有机碳结构的生物分子标志物;土壤中有机碳稳定性与分子结构特征密切相关,土壤中具有高的苯环结构(芳香族化合物)及O-烷基碳通常表明土壤碳库具有更高的稳定性,而之前认为较为稳定的木质素等结构在气候变暖背景下可能并不稳定。未来研究中应着重关注与土壤有机碳分子标志物的识别与生态意义判读、生物对土壤有机碳分子结构转换过程的调控作用及机制、大尺度环境/生态过程与碳库分子结构转变的耦合机制及新的土壤有机碳分子结构辨识技术及判读等方面的研究。     

土壤有机碳库与土壤结构稳定性关系的研究进展

土壤有机碳的形成抵押了二氧化碳的排放 ,也促进了土壤结构的形成并提高其稳定性。本文介绍土壤结构的层次性和稳定性 ,阐述不同土壤有机碳库影响土壤结构及其性质的作用机制 ,着重评述土壤活性碳库 ,颗粒有机物和可溶性有机物的数量及质量对土壤结构的层次性及其稳定性的影响机制 ,并突出土壤有机物的疏水性对土壤结构及其性质的影响等方面的研究工作。今后应深入研究不同土地利用和土壤管理措施下土壤活性碳库组成与土壤结构稳定性的关系 ;定量描述不同土壤碳库和土壤结构稳定性的形成过程 ;重视研究土壤碳库、土壤稳定性和土壤回复力三者之间的关系 ;深入研究有机碳库的性质影响土壤水分湿润速率的机制 ;应用获得的土壤有机碳库和土壤结构稳定性的新知识 ,完善土壤有机碳和水分循环模型     

植物标志物在森林土壤碳循环研究中的应用

森林土壤有机质的稳定机制对于森林长期碳吸存研究具有重要意义。土壤中难分解的生物大分子构成了土壤稳定性有机质库。稳定性土壤碳库主要来自于植物、动物、真菌和细菌,每一种土壤有机质的来源均有具体的天然生物标志物（biomarker）。本文回顾了近20年来植物标志物在土壤碳循环研究中的进展,概述了植物标志物在推断土壤有机质的植物来源以及有机质的分解程度方面的应用,并介绍了植物标志物的稳定性同位素分析在定量估算土壤有机质周转时间上的应用。本文还详细介绍了土壤中植物标志物的化学分析方法,为今后我国应用植物标志物开展土壤有机质研究提供参考。     

外源氮输入对土壤有机碳矿化和凋落物分解的影响

目前,由人类活动造成的陆地生态系统氮输入量已经远远超过了其自身的生物固氮,外源氮输入的增多已经并将继续对土壤有机碳矿化和凋落物分解产生影响。本文分析了国内外有关氮输入增多对土壤有机碳矿化和凋落物分解的影响及其机理:由于研究点环境状况不同,凋落物性质的差异和分解阶段的不同等原因,氮输入对土壤有机碳矿化的结果主要表现为抑制或促进作用;对凋落物分解的影响表现为促进、无影响和抑制三种效果,有关其作用机理还有待进一步深入研究。着重指出对于作为大气CO2"汇"的沼泽湿地,氮输入的增多能够对其碳"汇"功能产生影响,因此进行氮输入对湿地土壤有机碳矿化和凋落物分解方面的研究,对于探讨湿地碳循环对外源氮输入的响应及其机理非常重要。     

Analysis of soil-vegetation systems' sensitivity to changes of climate-dependent carbon turnover parameters

 The nonlinear model of the carbon cycle in soils (NAMSOM) was used to analyze the sensitivity of soil organic matter levels to variations in carbon turnover parameters. We were able to predict the sensitivity of soil organic matter levels to variations of climate-dependent carbon turnover parameters, which allowed us to compare the sensitivity of soil organic matter levels to net primary productivity of plant communities and plant debris decomposition rate constants across the range of soils in the European part of Russia. The results indicate that meadow steppes show the lowest sensitivity to variations of these parameters. In passing from meadow steppes to the northern taiga and to semideserts, the sensitivity increases. In general, soil organic matter levels of boreal forest ecosystems are about 2–3 times more sensitive to input and decomposition of plant debris than to decomposition of humus. In subboreal grassland ecosystems the sensitivity to humus decomposition increases and becomes closer to the degree of sensitivity shown by soil organic matter levels to variations of productivity and decomposition of plant debris. The proposed method may be useful for predicting the response of ecosystems to climatic change. Received: 1 December 1997     

Soil Organic Matter/Carbon Dynamics in Contrasting Tillage and Land Management Systems: A Case for Smallholder Farmers with Degraded and Marginal Soils

This study reveals that soil organic matter (SOM) is 58% soil organic carbon (SOC) and the processes that govern SOM dynamics include those that promote SOM synthesis from organic inputs and those that decrease SOM through decomposition. Land use is a key determinant of SOC dynamics and spatial differences in SOM. Agricultural soils can accommodate extra carbon (C) between 140 and 170 Pg C. Globally sub soils store more than half of total SOC. The SOM can increase under no-tillage management even with low crop residue input. Soil tillage induces loss of carbon in macroaggregates (>250 μm) and a gain of carbon in microaggregates (<250 μm). The stage of plant development rather than plant species determines carbon dynamics from plants to soil, and the rate depends on the plant development. However, sorption of dissolved organic matter to mineral soil influences the stabilization of dissolved organic matter.     

玉米残体分解对不同肥力棕壤团聚体组成及有机碳分布的影响

以棕壤肥料长期定位试验(29 a)形成的高、低两种肥力水平棕壤为研究对象,采用不同部位玉米残体为试验试材,分别向两种土壤中加入玉米根茬和茎叶,进行田间原位培养试验,试验设置6个处理:低肥力土壤添加玉米根茬(LF+R)、低肥力土壤添加玉米茎叶(LF+S)、高肥力土壤添加玉米根茬(HF+R)、高肥力土壤添加玉米茎叶(HF+S)和未添加玉米残体的对照处理(LF,HF)。本研究旨在探明玉米根茬、茎叶添加后不同肥力土壤团聚体组成及有机碳分布的变化规律,为构建合理的秸秆还田与施肥措施,减少土壤侵蚀提供理论依据。结果表明:1)添加玉米残体后低肥力棕壤团聚体稳定性、较大级别团聚体(2 mm和1~2 mm)有机碳贡献率的提升幅度比高肥力棕壤大,说明低肥力土壤对外源有机质的响应更敏感,向大团聚体转化的速率更快。2)培养结束时,高肥力棕壤添加茎叶处理团聚体稳定性显著高于添加根茬处理,而添加根茬处理各粒级团聚体有机碳含量显著高于添加茎叶处理;低肥力棕壤中根茬和茎叶添加处理团聚体稳定性及有机碳含量之间差异不明显。3)在田间原位培养过程中,棕壤2 mm和1~2 mm团聚体所占比例和团聚体稳定性呈现出前期(0~360 d)快速增加,后期(360~720 d)趋于稳定的趋势。可以看出,玉米残体对土壤团聚体团聚化过程的作用强度逐渐减弱。以上结果表明,作物残体输入对棕壤团聚体组成及有机碳分布的影响与棕壤肥力水平和不同残体部位间的差异关系密切。