028-8525-3068
新闻动态 News
News 行业新闻

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

日期: 2021-10-12
标签:

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

摘要


植物源和微生物源碳(C)在土壤剖面中的化学组成已被定量评估,但基于根际视角的植物源和微生物源C在土壤有机碳形成中的垂直分布格局及其相对贡献仍然缺乏。我们以云杉人工林(Picea asperata)为研究对象,量化了矿质层土壤不同深度(0-10 cm, 10-20 cm及20-30 cm)根际微生物源C、植物源C和土壤有机碳(SOC)的差异化积累,并分析了其垂直分异规律的关键调控因素。此外还进一步揭示了植物源和微生物源C对根际SOC的相对贡献。结果表明,根际微生物和植物源C、SOC含量随土壤深度的增加而降低,主要受根生物量和微生物生物量的调节。此外,微生物源C对根际SOC的贡献(大于62%)显著高于植物源C (小于6%)。上述结果表明,高寒人工针叶林根际土壤微生物源C是矿质土壤上层根际SOC的主要贡献者。研究结果从根际视角为评估土壤剖面中微生物或植物源C对SOC的相对贡献提供了直接的实验证据。

关键词

根际,微生物源C,植物源C,土壤剖面,高寒针叶林

研究背景

土壤有机碳(SOC)的组成和主要来源已经成为当前生态学和土壤学领域亟需解决的核心科学问题之一。根际作为受根系活动强烈影响的微生物热点区,根系生理代谢活性在土壤剖面的变异很可能导致根际土壤C动态的垂直变异。然而,目前的大部分研究仅关注非根际SOC化学组成和来源(植物源和微生物源C)的垂直分异规律,而忽视了土壤垂直方向上根-土互作差异所导致的根际SOC形成途径的空间分异规律。因此,求证和量化森林根系活动介导的根际SOC组成和来源的垂直分异规律已成为一个十分重要又极度缺乏的研究课题。

研究内容

西南亚高山典型的云杉人工林(Picea asperata)为试验对象,利用2种被广泛使用的生物标志物(氨基糖和植物源脂类/木质素酚类),量化了矿质土壤不同深度(0-10 cm, 10-20 cm及20-30 cm)根际微生物源和植物源C的含量,并分析了其垂直分异规律的关键调控因素。此外还进一步揭示了植物源和微生物源C对根际SOC的相对贡献。

主要结果

1)SOC、植物源C和微生物源C含量随土层深度的变化

随着土壤深度的增加,SOC含量显著降低(图1)。其次,土壤微生物残体C、真菌残体C和细菌残体C也呈下降趋势(图2),并且各土层中根际真菌残体C是微生物残体C的主要组成部分(图2)。此外,随着土壤深度的增加,长链脂肪酸、角质、软木脂和木质素酚单体的含量均呈下降趋势(图3),并且各土层植物源C主要成分为软木脂(占57.59 ~ 63.27%),其次为长链脂肪酸(占17.14 ~ 24.66%),最后为木质素酚单体(占4.74 ~ 13.55)和角质(占9.80 ~ 11.40%)(图3)。

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

图1 不同土壤深度根际SOC含量

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

图2 不同土壤深度根际微生物源C含量

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

图3 不同土壤深度根际植物源C含量


2)微生物源C和植物源C含量随土层变化的关键调控因素

微生物源C与环境变量关系的冗余分析结果表明,真菌、细菌和微生物残体C含量与微生物生物量C、酶活性、根系生物量、金属有机复合体中结合态的铁(Fe)、铝(Al)离子含量和土壤C/N呈正相关,与土壤pH和比根长呈负相关(图4a)。植物源C的结果与微生物源C的结果一致(图4b)。另外,偏最小二乘路径模型表明,微生物生物量C、根系生物量和土壤pH对植物源C有直接且显著的影响(图5)。根系生物量对植物源C的总影响远高于微生物生物量C(图5)。此外,微生物源C对SOC的影响大于植物源C(图5)。

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

图4微生物源C和植物源C与环境变量之间关系的冗余分析

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

图5通过土壤和植物根系变量确定微生物源C和植物源C对SOC的直接和间接影响的偏最小二乘路径模型


3) 在每层土壤中,根际微生物源C对SOC的贡献超过62%,而根际植物源C对 SOC的贡献小于6%(图6)。另外,根际真菌残体C对SOC的贡献显著大于细菌残体C对SOC的贡献。此外,软木脂对根际SOC的贡献显著大于其他组分,约占植物源C总贡献的60%。

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

图6不同土壤深度根际微生物源碳和植物源碳对土壤有机碳的贡献

结论

本研究发现随着土壤深度的增加,根际植物源和微生物源C含量呈下降趋势,主要受根系生物量和微生物生物量的调控。微生物源C在矿质土壤表层0 ~ 30 cm范围内对根际SOC积累起主导作用。我们的研究结果为从根际角度评估微生物源和植物源碳对土壤有机碳的相对贡献提供了重要的参考和直接的实验证据。

高寒针叶林根际微生物源碳和植物源碳的垂直分布格局

图7 基于根际视角的高寒针叶林微生物源C和植物源C垂直分布格局及其在SOC形成中的相对贡献概念框架图



  • 最新资讯 MORE+
  • 点击次数: 0
    2025 - 05 - 30
    在生态土壤研究中,土壤铁铝氧化物和铁结合态有机碳是两类不同的组分,它们在形成机制、生态功能及研究意义上存在显著差异。铁铝氧化物和铁结合态有机碳在有机碳固存中的双向作用:铁结合有机碳(OC-Fe)是MAOC的重要组成部分,通过形成Fe-有机复合物在SOC的积累和保存中起着至关重要的作用。Fe通过三种主要机制促进SOC的积累:促进土壤团聚体的形成、与溶解有机碳的吸附和共沉淀以及改变微生物活动。同样,Al可以吸附到活性表面位点或与土壤固相共沉淀,从而增强SOC的稳定性。因此, Fe- Al氧化物可以加速OC- Fe的积累并在SOC封存中发挥关键作用。编辑搜图以下是两者的主要区别: 1. 定义与组成 铁铝氧化物化学本质:主要是铁(Fe)和铝(Al)的氧化物、氢氧化物及其水合矿物,如赤铁矿(Fe₂O₃)、针铁矿(FeOOH)、三水铝石(Al(OH)₃)等。来源:由原生矿物风化或次生矿物形成,受土壤pH、氧化还原条件及气候影响。特点:无机矿物相,具有高比表面积和可变电荷,对磷、重金属等有强吸附能力。铁结合态有机碳化学本质:有机碳(如腐殖酸、多糖等)通过吸附、共沉淀或配位键与铁氧化物结合形成的复合体。来源:有机质与铁铝氧化物的相互作用,常见于厌氧-有氧交替环境(如湿地、水稻土)。特点:有机-无机复合体,是土壤碳库的重要稳定形式。 ------------- 2. 形成机制 铁铝氧化物通过化学风化(如硅酸盐矿物分解)或氧化还原过程(如Fe²⁺氧化为Fe³⁺)形成。受土壤pH和Eh(氧化还原电位)调控,酸性或厌氧条件促进溶解,中性/好氧条件促进沉淀。铁结合态有机碳吸附作用:有机碳通过静电或配体交换吸附在铁氧化物表面。共沉淀:有机质与铁离子共同沉淀形成混合相(如铁-有机胶体)。微团聚体保护:铁铝氧化物作为...
  • 点击次数: 0
    2025 - 05 - 22
    文献解读原名:Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide译名:土壤有机碳阈值控制肥料对全球农田碳积累的影响  期刊:Nature CommunicationsIF:14.7发表日期:2025.3第一作者:凌俊  中国农业大学资源与环境科学学院养分利用与管理国家重点实验室# 背景恢复土壤肥力和缓解全球变暖的举措在于重建土壤有机碳(SOC)。氮(N) 肥对作物产量至关重要,由于颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)对氮肥施用的响应不同,氮肥施用对土壤碳积累的影响难以预测。为了阐明这些影响,我们通过全球荟萃分析与大陆规模的田间试验相结合,研究初始SOC含量如何与氮肥相互作用来影响全球农田土壤的SOC积累。# 假设(1)氮肥施用促进了植物生产力和大团聚体的形成,从而增加了POC的积累和稳定;(2)在土壤SOC匮乏的土壤中,资源化学计量和微生物养分需求之间的不平衡阻碍了微生物残体碳(MBC)的形成和POC的分解,从而削弱了MAOC的积累;(3)较高的微生物代谢效率和微生物残体量,再加上矿物保护,增加了富含SOC土壤中MAOC的含量。# 材料与方法(1)为了确定初始SOC含量是否影响POC和MAOC响应氮肥的全球变化,我们编制了一个数据库,包括来自全球118个野外站点的609个POC和MAOC变化的配对观察值(图1),涵盖了非常广泛的初始SOC含量范围(0.79~46.1g kg-1);图1研究地点的全球分布(2)中国四个试验地点位于曲周(QZ,9.49 g kg-1)、长武(CW,9.51 g kg-1)、四平(SP,16.3 g kg-1)和雅安(YA,17.4 g kg...
  • 点击次数: 0
    2025 - 05 - 13
    18O标记技术的关键研究方向1、方法学优化标记实验设计:比较不同底物(简单糖类 vs. 复杂有机物)对CUE的影响,明确18O-H₂O标记时长与剂量效应。干扰因素控制:区分非生物过程(如化学氧化)对18O-CO₂的贡献,需通过灭菌对照实验校正。同位素分析技术:结合气相色谱-同位素比值质谱(GC-IRMS)或激光光谱,提高18O-CO₂检测灵敏度。2、生态机制解析微生物群落的影响:研究不同菌群(如真菌vs.细菌、r策略vs. K策略)的CUE差异,结合高通量测序(16S rRNA/ITS)关联群落结构。环境胁迫响应:干旱、升温、pH变化如何通过改变CUE影响碳分配(如:胁迫常降低CUE,增加呼吸损耗)。底物化学性质:木质素、纤维素等复杂底物通常导致更低CUE,需验证18O标记在不同底物中的适用性。3、模型整合与验证将18O-CUE数据纳入土壤碳模型(如Michaelis-Menten动力学、Microbial Mineral Carbon Stabilization, MIMICS),改进微生物生长-呼吸参数化过程。验证“微生物效率-碳截存”假说:高CUE是否真能促进土壤有机碳积累(争议点:高CUE可能减少胞外酶分泌,反而抑制降解)。实际应用方面1、气候变化与碳循环预测量化微生物呼吸对全球变暖的正反馈(低CUE → 更多CO₂释放),改进生态系统模型中的碳周转模块。评估土地利用变化(如农田耕作、森林砍伐)对土壤微生物功能的影响。2、土壤健康与农业管理通过调控CUE优化有机肥施用(如添加易降解碳源提高CUE,促进微生物生物量积累)。指导免耕或覆盖耕作,减少扰动对微生物群落的破坏,维持高CUE。3、污染修复与生态工程污染物(如重金属、石油烃)胁迫下微生物CUE的变化可指示土壤恢复潜力。设计合成微生物群落,定向提升降解效率(如:高CUE菌株可能更快转化有机污染物)。更多检测相关内容...
  • 点击次数: 0
    2025 - 04 - 30
    土壤回旋共振质谱是一种高分辨率、高灵敏度的质谱分析技术,基于带电粒子在磁场中以回旋运动的频率与外加射频共振时的检测原理。这类质谱仪一般用于检测复杂混合物中的微量有机或无机化合物,能够提供高精度的分子质量和结构信息。在生态土壤研究中,可以在以下几个方面拓宽我们的视野: 1、高灵敏检测土壤中痕量有机物  • 检测土壤有机质组分如氨基糖、木质素衍生物、脂类等; • 能区分同分异构体,有助于理解有机碳转化路径; • 可研究腐殖质演化和稳定机制。 2. 剖析微生物代谢产物与土壤代谢指纹  • 识别微生物代谢过程中生成的标志性代谢物; • 结合同位素示踪,能用于土壤微生物C/N代谢流的定量追踪; • 有助于研究微生物驱动的碳氮循环机制。 3. 辅助土壤碳库稳定性研究  • 通过精细分子分辨率识别稳定/易变组分; • 判断某些特定有机物的生物可利用性与持久性; • 有助于理解土地利用/管理对碳库稳定的影响。 4. 环境污染物检测  • 检测痕量有机污染物(如农药、PAHs、抗生素残留等); • 在污染溯源与降解路径解析中发挥重要作用; • 与多种污染物的形态分析结合,进行风险评估。 5、在生态研究中的典型应用案例: • 热带森林与农田转换对有机碳分子结构的影响研究; • 利用15N标记+CRMS解析土壤有机氮转化路径; • 通过检测抗生素类残留探讨畜禽粪肥对土壤微生物生态的扰动; • 研究火烧/干旱胁迫下微生物代谢产物的变化与碳流稳定性。上述提到的项目栢晖生物均可测定,更多相关信息欢迎联系文末工作人员详细沟通。-THE END-栢晖生物成立于...
文体活动 MORE+
案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
说明:
2017 - 07 - 17
微信公众号
检测咨询热线
 
地址:四川省成都市成华区成宏路72号-四川检验检测创新科技园2号楼4层
          湖南省长沙市芙蓉区雄天路98号广发隆平创业园2栋6002
官方热线:028 8525 3068
投诉电话:18181920125
传真:+86 0755-2788 8009
Copyright ©2005 - 2013 成都栢晖生物科技有限公司
犀牛云提供企业云服务