土壤微生物残体碳专栏

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土壤微生物残体碳专栏

土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳库，在调节全球气候变化-碳循环反馈过程中具有极其重要的作用。因此，调控土壤固碳过程是实现国家“双碳”目标，缓解全球气候变化的重要实现途径。为了促进土壤固碳增汇，全面了解有机碳的性质及其形成过程至关重要。在过去的二十年，土壤有机质形成和稳定的概念模型已经从关注难降解植物残体的选择保存转变为以微生物产物为中心的模型。活跃的微生物是陆地生态系统生物地球化学过程的主要引擎，推动了有机物的分解和土壤有机质的形成；而微生物残体在土壤中累积形成了陆地生态系统最大的土壤碳库。土壤“微生物碳泵”理论模型的提出及微生物残体在有机碳积累中的重要地位极大地推动了有机碳形成理论的进步和发展。

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1. 黄土丘陵区降水变化下草地土壤微生物残体碳对土壤有机碳组分的贡献及其影响因素

周玥, 李娅芸, 李娜, 李会军, 张羽涵, 安韶山, 王宝荣

应用生态学报 2024, 35 (9): 2592-2598. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202409.011

摘要（229）

PDF（pc）（1423KB）（36）

为探究降水变化下草地土壤中微生物残体碳(MNC)对土壤有机碳组分的贡献及其影响因素,在黄土丘陵区白羊草植被恢复地,设置7个降水水平,以自然降水(CK)量作为对照,增加和降低20%、40%、60%的自然降水量(I₂₀、I₄₀、I₆₀、D₂₀、D₄₀、D₆₀)开展试验,分析了土壤有机碳组分中真菌残体碳(FNC)、细菌残体碳(BNC)和MNC的含量及变化特征。结果表明:1)土壤矿物结合态有机碳(MAOC)中的MNC含量(1.62～2.17 g·kg^-1)要高于颗粒态有机碳(POC)中的MNC含量(0.69～1.31 g·kg^-1),前者是后者的1.4～2.8倍。2)在MAOC和POC中,FNC和MNC变化规律相似。MAOC中的BNC是FNC的1～3.1倍;POC中的FNC要高于BNC,只在I₄₀和I₆₀时BNC大于FNC。3)整体上,降水增加和减少均提高了MNC/MAOC和BNC/MAOC,降低了MNC/POC和FNC/POC。I₆₀和D₆₀时的MNC/MAOC比CK高33.2%和18.1%;D₆₀、I₄₀和I₆₀时的BNC/MAOC比CK高28.0%、23.0%和19.1%。除D₆₀外,其他降水条件下FNC/POC、MNC/POC显著低于CK;在POC中,D₄₀、D₂₀、I₂₀、I₄₀和I₆₀的MNC/POC比CK低28.4%、23.3%、28.8%、23.3%和32.2%,D₄₀、D₂₀、I₂₀、I₄₀和I₆₀的FNC/POC比CK低23.3%、16.1%、21.0%、27.0%和31.0%。4)NH₄⁺-N和pH是降水变化下影响不同碳组分中MNC含量的主要因素。综上,降水变化(增加或降低)提高了以BNC为主的MNC对MAOC的贡献,降低了以FNC为主的MNC对POC的贡献,本研究对了解降水变化下微生物残体在不同有机碳组分中的分配规律具有重要意义。

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2. 土壤微生物碳泵概念体系2.0

朱雪峰, 孔维栋, 黄懿梅, 肖可青, 罗煜, 安韶山, 梁超

应用生态学报 2024, 35 (1): 102-110. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.018

摘要（995）

PDF（pc）（892KB）（522）

土壤微生物在陆地生态系统元素循环中扮演着关键角色,对土壤健康、粮食安全和全球气候变化发挥着重要的调节作用。土壤微生物同化代谢产物对土壤碳储存与有机质维持的贡献不容忽视。近年来,以微生物代谢和死亡残体生成过程为核心提出的土壤微生物碳泵概念体系得到了广泛关注,它主要描述了以土壤异养微生物代谢为驱动的土壤有机碳形成和稳定化过程,是目前陆地生态系统碳固存的重要机制体系与研究热点。本文对该体系的研究进展进行了梳理,并提出了引入自养微生物固碳通道与结合土壤矿物碳泵概念的土壤微生物碳泵概念体系2.0,以期丰富和完善现有的微生物介导的陆地生态系统土壤碳循环与固持机制,为实现我国“双碳”目标提供理论支撑。

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3. 植物源和微生物源土壤有机碳转化与稳定研究进展

杨阳, 王宝荣, 窦艳星, 薛志婧, 孙慧, 王云强, 梁超, 安韶山

应用生态学报 2024, 35 (1): 111-123. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.011

摘要（1623）

PDF（pc）（2449KB）（847）

土壤有机碳库是陆地生态系统碳汇的重要组成部分,探明土壤有机碳的转化与稳定机制是深入理解陆地生态系统碳汇功能及应对气候变化的关键。近年提出的“土壤微生物碳泵”理论,即:植物残体是土壤有机碳的初始来源,微生物同化产物也是土壤稳定有机碳库的重要贡献者,对土壤有机碳的固存机制提出了新的见解。由于植物残体分解过程的复杂性、多变性以及参与分解过程的微生物种群的高异质性,植物残体和微生物残体向土壤有机碳的转化和稳定机理尚不十分明确。本文阐述了植物残体和微生物残体定量的表征方法以及它们在土壤中的稳定机制,探讨了植物和微生物源残体碳对土壤有机碳的贡献及其在土壤有机碳积累过程中的主要影响因素,最后对该研究领域未来的发展方向和研究重点进行展望,以期为陆地生态系统土壤固碳研究提供科学支撑。

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4. 黄土高原不同植被类型土壤微生物残体碳的积累及其对有机碳的贡献

申继凯, 黄懿梅, 黄倩, 徐凤璟

应用生态学报 2024, 35 (1): 124-132. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.014

摘要（383）

PDF（pc）（1716KB）（236）

微生物残体碳是土壤有机碳的重要来源。黄土高原自退耕还林(还草)以来土壤碳储量显著增加,但不同植被类型土壤微生物残体碳对有机碳积累的贡献及其影响因素尚不明晰。本研究利用生物标志物(氨基糖)技术,测定黄土高原天然草地、柠条灌丛、辽东栎林地0～5和5～20 cm土层土壤中的微生物残体碳含量,并分析其与土壤理化指标的关系,探究不同植被类型土壤中微生物残体碳对有机碳的贡献及其影响因素。结果表明: 1)同一土层,土壤pH值由草地、灌丛至林地依次显著降低,而有机碳、全氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮表现为林地>灌丛>草地,差异显著,且0～5 cm土层显著高于5～20 cm土层。2)土壤微生物残体碳含量在3种植被类型的两个土层中的变化范围为0.69～16.41 g·kg^-1,其中,在0～5 cm土层,细菌、真菌和微生物残体碳含量均由草地、灌丛至林地依次显著增加,林地微生物残体碳含量是灌丛的2.9倍,灌丛是草地的4.2倍;在5～20 cm土层,林地真菌和微生物残体碳含量显著高于灌丛和草地。真菌残体碳含量高于细菌残体碳含量,是细菌残体碳的2.16～10.83倍。3)微生物残体碳对有机碳的贡献在灌丛和林地分别是草地的1.6和1.7倍,其中,真菌残体碳的贡献占15.2%～42.7%。细菌占1.4%～7.4%。4)pH、全氮、微生物生物量碳和微生物生物量氮是微生物残体碳积累的重要影响因素。综上,植被类型的变化改变了土壤养分、微生物活性和土壤pH值,从而使林地和灌丛较草地更有利于由真菌主导的微生物残体碳的形成和积累。

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5. 排水对我国两种典型湿地土壤有机碳微生物转化过程的影响

贾娟, 李星奇, 冯晓娟

应用生态学报 2024, 35 (1): 133-140. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.013

摘要（275）

PDF（pc）（2091KB）（157）

湿地储存了全球三分之一的土壤有机碳(SOC),并受到人为排水的强烈影响。然而,排水引起的水位下降对不同湿地碳循环(特别是微生物转化)过程的影响尚不明确。为此,本研究以我国两种典型湿地(贫营养型的大九湖湿地和富营养型的红原湿地)土壤为研究对象,通过添加¹³C标记葡萄糖的室内培养试验,分析了短期和长期排水对SOC降解、胞外酶活性、微生物碳利用效率(CUE)和微生物碳积累效率(CAE)的影响。结果表明: 长期和短期排水显著提高了两种湿地SOC降解速率(从淹水处理的1.47 μg C·g^-1·h^-1升高到排水处理的2.47 μg C·g^-1·h^-1)、葡萄糖来源的微生物生物量碳(从0.21 mg C·g^-1升高到1.00 mg C·g^-1)和CAE(从0.29升高到0.73),但未改变CUE(变化范围为0.34～0.86)。长期排水提高了大九湖湿地α-葡萄糖苷酶活性,但降低了红原湿地β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性。综上,排水主要通过增强微生物胞内代谢过程(包括呼吸)提高湿地土壤“微生物碳泵”作用和效率,同时加速了SOC降解。

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6. 马尾松纯林混交改造对土壤微生物残体碳和有机碳组分的影响

覃振凯, 刘润红, 何鹏, 王聪, 聂彦霞, 申卫军

应用生态学报 2024, 35 (1): 141-152. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.015

摘要（353）

PDF（pc）（2157KB）（177）

混交乡土阔叶树种是马尾松纯林改造的重要措施之一,土壤微生物残体碳和有机碳组分是评价土壤有机碳(SOC)稳定性以及混交效应的重要参数。本研究以马尾松纯林(PP)和混交林龄分别为16年(MP16)、38年(MP38)的马尾松和红锥混交林为研究对象,测定不同土层深度的土壤理化性质、微生物残体碳以及有机碳组分等指标,旨在阐明马尾松纯林混交改造对土壤微生物残体碳和有机碳组分的影响。结果表明: 1)混交改造显著降低了0～20和20～40 cm土层真菌残体碳含量和真菌残体碳/细菌残体碳,但是对微生物残体碳和细菌残体碳含量及其对SOC的贡献没有显著影响;所有林分类型中真菌残体碳对SOC的贡献均大于细菌残体碳。2)所有林分类型中土壤矿物结合态有机碳对SOC的贡献高于团聚体结合态有机碳和轻质颗粒有机碳;混交改造显著提高了0～20和20～40 cm土层中矿物结合态有机碳含量以及矿物结合态有机碳、团聚体结合态有机碳和轻质颗粒有机碳对SOC的贡献;MP38的矿物结合态有机碳在各土层均显著高于PP,在20～40、40～60和60～100 cm土层显著高于MP16,表明混交改造增强了SOC的稳定性,且MP38较MP16的SOC稳定性更高。3)土壤SOC和总氮是驱动土壤微生物残体碳变化的主要环境因子;而土壤总氮和络合态铁铝氧化物是驱动有机碳组分变化的主要环境因子。因此,在马尾松人工林经营过程中引入红锥可以增强土壤有机碳的稳定性。

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7. 林龄对马尾松人工林微生物残体碳积累的影响机制

胡建文, 刘常富, 勾蒙蒙, 陈会玲, 雷蕾, 肖文发, 朱粟锋, 斛如媛

应用生态学报 2024, 35 (1): 153-160. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.041

摘要（259）

PDF（pc）（1235KB）（123）

明晰人工林林分发育过程中土壤微生物残体碳的积累模式及其对土壤有机碳(SOC)的贡献有助于理解土壤碳循环和固碳机制。本研究以亚热带马尾松人工林为对象,分析了幼龄林(6 a)、中龄林(13 a)、近熟林(29 a)、成熟林(38 a)和过熟林(57 a)表层(0～10 cm)土壤氨基糖含量、理化性质和微生物组成等的差异,量化微生物残体碳含量及其对SOC的贡献,并探讨其影响机制。结果表明: 中龄林SOC、全氮、非晶形铁氧化物含量和亮氨酸氨基肽酶活性显著低于成熟林,幼龄林土壤pH和真菌/细菌显著高于其他龄组。在林分发育过程中,微生物、真菌和细菌残体碳的变化范围分别为7.52～14.63、4.03～8.00和3.48～6.63 g·kg^-1,且成熟林显著高于中龄林,受土壤全氮含量的正影响。微生物、真菌和细菌残体碳对SOC的贡献分别为59.7%～72.3%、33.4%～45.6%和24.3%～30.8%。真菌残体碳对SOC的贡献在幼龄林显著高于其他龄组,细菌残体碳对SOC的贡献在中龄林显著高于幼龄林和近熟林,两者受土壤无机氮的影响。真菌残体碳是细菌残体碳的1.2～1.7倍,主导了微生物残体碳的积累。偏最小二乘模型分析表明,真菌残体碳对SOC的贡献受林龄、土壤环境因子(如亮氨酸氨基肽酶、非晶形铁氧化物、pH和全氮)、细菌残体碳、真菌残体碳和细菌残体碳对SOC贡献影响的总效应分别为-0.37、-1.16、0.90、1.09和0.83。综上,林龄促进微生物残体碳的积累,但并未增加其对SOC的贡献。

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8. 宁南山区不同恢复年限柠条林地土壤微生物残体碳沿剖面分布特征

张羽涵, 李瑶, 周玥, 刘春晖, 安韶山

应用生态学报 2024, 35 (1): 161-168. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.017

摘要（198）

PDF（pc）（2330KB）（112）

微生物残体是土壤有机碳(SOC)重要且稳定的来源,已成为评价微生物对SOC转化和积累贡献的重要指标。目前尚不清楚柠条林恢复过程中深层土壤微生物残体的积累及其对SOC的贡献特征。本研究采用生物标志物方法,以宁南山区天然草地为对照,研究了恢复16年、28年和38年的柠条林地沿0～100 cm剖面土壤细菌、真菌、微生物残体碳含量及其对有机碳的贡献特征。结果表明: 1) 沿0～100 cm土壤剖面,随着土层深度的增加,天然草地和柠条林地土壤中真菌残体碳(FNC)、细菌残体碳(BNC)和微生物残体碳(MNC)含量均显著降低;除恢复38年的柠条林土壤FNC/SOC、BNC/SOC和MNC/SOC显著降低外,其余样地FNC/SOC、MNC/SOC总体上呈现先增加后降低的趋势,BNC/SOC则逐渐降低。2) 随着恢复年限增加,柠条林地土壤中FNC、BNC和MNC含量均显著降低;FNC/SOC和MNC/SOC总体上先增后减,BNC/SOC逐渐降低。3) MNC对SOC的平均贡献表现为恢复28年的柠条(35.0%)>恢复16年的柠条(33.5%)>天然草地(31.0%)>恢复38年的柠条(28.6%)。综上,与天然草地相比,当柠条林恢复年限为16年时,土壤微生物残体碳含量及其对SOC的贡献均较高,有利于SOC的固存。

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9. 间伐对川西亚高山云杉人工林土壤微生物残体碳积累的影响

井艳丽, 李旭华, 张袁, 张馨月, 刘美, 冯秋红

应用生态学报 2024, 35 (1): 169-176. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.040

摘要（190）

PDF（pc）（1753KB）（73）

微生物残体是土壤有机碳的重要组分,但长期间伐如何影响微生物残体碳积累特征尚不清楚。本研究分析了未疏伐(对照,4950 株·hm^-2)和间伐(1160株·hm^-2)14年的云杉人工林表层(0~10 cm)和下层(20~30 cm)土壤理化性质、微生物群落、土壤胞外酶活性和微生物残体碳差异,并揭示间伐对微生物残体碳积累的调控机制。结果表明: 与对照相比,间伐显著增加土壤有机碳、全氮、速效磷含量、颗粒有机碳占比、土壤含水量、土壤碳循环水解酶和酸性磷酸酶活性,但显著降低矿物结合态有机碳占比。间伐显著影响真菌残体碳含量、微生物残体碳含量和微生物残体碳对土壤有机碳的贡献,且这些影响与土层无关。间伐处理下真菌残体碳和微生物残体碳含量分别比对照提高25.0%和24.5%。但间伐显著降低了土壤微生物残体碳对土壤有机碳的贡献(降低12.3%),表明土壤有机碳中植物来源碳比例增加。逐步回归分析表明,全氮和含水量是影响真菌残体碳和微生物残体碳积累的关键因子。综上,间伐通过改变土壤性质促进了微生物残体碳的积累,并改变了土壤有机碳来源组成。

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10. 中亚热带米槠人工林土壤微生物残体碳对凋落物和根系碳输入的响应

王翠娟, 刘小飞, 杨柳明, 贾淑娴

应用生态学报 2024, 35 (1): 177-185. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202401.012

摘要（256）

PDF（pc）（1514KB）（118）

微生物残体碳(MNC)是稳定土壤碳库的重要来源,探讨亚热带森林土壤微生物残体碳对地上(凋落物)、地下(根系)碳输入的响应对评估全球生态系统土壤碳贮量具有重要意义。本研究以福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站的米槠人工林为对象,设置去除根系(NR)、去除地上凋落物(NL)、无凋落物输入(即去除地上凋落物和地下根系输入,NI)、添加双倍地上凋落物(DL)4个处理,以无处理为对照(CK),7年后采集0~10 cm土层土壤样品,探究凋落物和根系输入变化下MNC含量及MNC对土壤有机碳贡献的变化特征。结果表明: 1)与CK相比,NR处理下MNC、细菌残体碳(BNC)和真菌残体碳(FNC)分别降低了15.9%、20.2%和14.5%,其他处理无显著变化。2)与CK相比,NR、NL、NI和DL处理未对BNC、FNC和MNC的土壤有机碳贡献率产生显著影响。3)相关性分析和路径分析结果显示,植物碳输入变化通过改变土壤中的底物有效性和微生物群落结构直接或间接改变了土壤中微生物残体碳的含量。表明在维持中亚热带人工林土壤MNC方面,根系输入碳比地上植物来源碳更重要。

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11. 培养条件下枯落物分解过程中微生物残体对土壤有机碳形成的贡献

薛志婧, 屈婷婷, 刘春晖, 刘小槺, 王蕊, 王宁, 周正朝, 董治宝

应用生态学报 2023, 34 (7): 1845-1852. DOI: 10.13287/j.1001-9332.202307.004

摘要（305）

PDF（pc）（2634KB）（104）

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。

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