028-8525-3068
新闻动态 News
News 行业新闻

森林扩展到苔原的碳储存临界点与菌根氮循环有关

日期: 2021-09-01
标签: Karina Engelbrecht Clemmensen

原名:A tipping point in carbon storage when forest expands into tundra is related to mycorrhizal recycling of nitrogen

译名:森林扩展到苔原的碳储存临界点与菌根氮循环有关

期刊:Ecology Letters

IF:9.492

发表时间:2021年2月23日

第一作者: Karina Engelbrecht Clemmensen

通讯作者:Karina Engelbrecht Clemmensen

主要单位:瑞典农业大学


#1

Abstract

Tundra ecosystems are global belowground sinks for atmospheric CO2. Ongoing warming-induced encroachment by shrubs and trees risks turning this sink into a CO2 source, resulting in a positive feedback on climate warming. To advance mechanistic understanding of how shifts in mycorrhizal types affect long-term carbon (C) and nitrogen (N) stocks, we studied small-scale soil depth profiles of fungal communities and C–N dynamics across a subarctic-alpine forest-heath vegetation gradient. Belowground organic stocks decreased abruptly at the transition from heath to forest, linked to the presence of certain tree-associated ectomycorrhizal fungi that contribute to decomposition when mining N from organic matter. In contrast, ericoid mycorrhizal plants and fungi were associated with organic matter accumulation and slow decomposition. If climatic controls on arctic-alpine forest lines are relaxed, increased decomposition will likely outbalance increased plant productivity, decreasing the overall C sink capacity of displaced tundra.

#2

摘要

苔原生态系统是全球大气二氧化碳的地下汇。而持续变暖导致的灌木和树木的入侵可能将这个汇变成二氧化碳的来源,从而对气候变暖产生积极的反馈。为了从机理上理解菌根类型的转变如何影响长期的碳(C)和氮(N)储量,我们研究了亚北极-高山森林-高山灌丛梯度上的小尺度土壤深度剖面的真菌群落和C-N动态。地下有机储量从灌丛到森林的转变过程中急剧减少,这与某些与树木共生的外生菌根真菌有关,这些真菌在从有机质中获取氮时有助于分解。相反,杜鹃类菌根植物和真菌与有机质积累和缓慢分解有关。如果缓解对北极-高山林线的气候控制,增加的分解很可能会抵消植物生产力的增加,降低苔原的整体碳汇能力。

#3

Keywords/关键词

Arctic warming, carbon sequestration, decomposition, functional genes, meta-barcoding, mycorrhizal type, nitrogen cycling, soil fungal communities, stable isotopes, treeline ecotone.

关键词:北极变暖;固碳;分解;功能基因;元编码;菌根类型;氮循环;土壤真菌群落;稳定同位素;树线交错带。

#4

前言

由于气候变暖,北极和高寒苔原的植物群落组成发生了变化,即落叶灌木优势度增加。与此同时,高大的灌木或森林物种取代了以前的低矮苔原植被,因为它们的分布沿着纬度和海拔梯度改变。尽管初级生产力很低,但许多苔原生态系统在地下积累了大量的有机质。气候变暖使这些碳储备面临风险,而最敏感的落叶灌木和乔木形成外生菌根共生体,而主导苔原系统的杜鹃类菌根矮灌木和非菌根莎草则相反。植被的菌根类型已被强调为地下养分循环和碳储存的重要预测因子。然而,尽管菌根介导的植物-土壤反馈可能控制苔原生态系统对全球气候的反馈的大小和方向,但在这一背景下,北极北部的过渡几乎没有受到关注。

我们使用从瑞典北部的高山苔原到亚高山白桦林的海拔梯度来检验这一假设:苔原到森林过渡区地下有机质储量的减少与菌根共生的优势类型的转变有关,即从苔原的杜鹃类菌根转变为森林的外生菌根。我们使用有机质特征和微生物群落的精细尺度垂直剖面来推断跨树线交错带的长期碳和氮动态的差异。我们的结果表明,在森林中,某些外生菌根真菌加快了有机物的分解,超过了大型植物本身的分解。且对树根的实验排除证实了它们对森林中有机物分解的促进作用。

#5

研究内容

本研究于2009年在瑞典北部阿比斯科进行实验布置及野外采样工作。分析了样品的酸碱度、有机物含量、总溶解碳和氮库、稳定同位素比率、真菌生物量(麦角甾醇)和微生物群落。

#6

主要结果

1. 树木生物量和土壤碳储量在森林中呈负相关

森林扩展到苔原的碳储存临界点与菌根氮循环有关

图1瑞典北部亚北极-高山森林-荒野植被梯度上四个地点的植被组成和生态系统碳储量。


2.碳-氮动力学

从新鲜凋落物到半分解凋落物层和腐殖质层,C:N随深度而降低(图2a);真菌生物量一般随深度而下降,林下土壤有机碳、氮含量在森林最高,林下有机碳、氮含量之比荒野植被最低(图2 e、f、g);无机氮浓度在荒野植被中最高(图2h),荒野植被和灌木中参与无机氮转化的细菌和古菌的丰度更高(图2k,l);细菌与真菌的比率在荒野植被也最高(图2j)。
森林扩展到苔原的碳储存临界点与菌根氮循环有关

图2瑞典北部沿亚北极-高山森林-荒野植被梯度的四种生态系统类型中氮循环模式的指标。(F:森林;FE:森林边缘;SH:高山灌木;H:荒野植被)。


3. 真菌群落

腐殖真菌在凋落物层中占优势,菌根和其他与根相关的真菌在腐殖质层中占优势(图3a,b);与根相关的子囊菌(包括杜鹃花状菌根真菌)的相对丰度在森林中最高,而外生菌根真菌的相对丰度在荒野植被和灌木生境中最高(图3b,c)。菌丝体分化较少的外生菌根真菌(短距离探索型)在荒野植被和灌木中所占比例较高,而菌丝体为长距离运输外生菌根物种向森林的比例增加(图3c)。
森林扩展到苔原的碳储存临界点与菌根氮循环有关

图3瑞典北部亚北极-高山森林-荒野植被梯度上四种生态系统有机土壤剖面中的真菌群落组成。l:凋落物;h:腐殖质。


4. 树根排除减少分解

凋落物的质量损失、呼吸作用和真菌生物量总体高于腐殖质。森林凋落物第一年的质量损失比荒野植被凋落物快,但森林腐殖质比荒野植被腐殖质慢(图4b,c,d)。排除活的桦树根略微降低了真菌生物量,并且几乎消除了分解袋的外生菌根真菌定殖,而其他与根相关的真菌,包括杜鹃花状菌根真菌,保持不受影响(图4a,c)。活根的存在总体上增加了3年后凋落物和腐殖质的质量损失(图4b)。
森林扩展到苔原的碳储存临界点与菌根氮循环有关

图4 瑞典北部亚北极白桦林中有无树根和外生菌根真菌时五种有机基质的分解。五种有机基质在网袋中培养3年后的真菌群落组成(a)、剩余质量(b)、真菌生物量(c)和呼吸速率(d)。

#7

讨论

      本研究的分解实验证实,积累在该地区苔原系统的大量有机物比附近白桦林中的有机物更容易分解。在本研究中对植被梯度现状的一个合理解释是,其他生物因素(例如竞争)或气候驱动因素(例如生长季节的长度、极端温度或有限的积雪覆盖)是白桦林和相关生物群向上扩张的主要制约因素,而不是低氮矿化。我们提出了一个由外生菌根共生驱动的植物-土壤反馈机制,它将植被变化与前进的亚北极树线上不断下降的地下碳储量联系起来。这一机制预测了植被和土壤动态中协调、相互依赖的模式,导致当苔原变成森林时,生态系统碳储量减少(图5)。森林边界的推进将促进外生菌根真菌群落,该群落有能力释放大量有机氮储备并促进树木生长,潜在地导致强大的、积极的植物-土壤反馈,从而加速树木向前苔原扩展,并支持苔原对气候变暖的积极反馈。

森林扩展到苔原的碳储存临界点与菌根氮循环有关

图 5 树线梯度概念图。(北极绒毛桦形成林线,并与外生菌根真菌群落相关联,在开采氮 (N) 时能够分解土壤有机质。因此与林线以上的灌木和苔原生态系统相比,其有机物质周转速度更快,腐殖质总量更小。而在林线以上的系统,由于较低的分解能力和缺乏外生菌根N开采的树木,促进了无机N循环。)



  • 最新资讯 MORE+
  • 点击次数: 0
    2024 - 06 - 17
    文献解读原 名:Saline-alkali land reclamation boosts topsoil carbon storage by preferentially accumulating plant-derived carbon译 名:盐碱地复垦通过优先积累植物源碳来提高表层土壤碳储量期 刊:Science BulletinIF:18.9发表日期:2024.5.18第一作者:Lin Chen01摘要盐碱地是应对全球气候变化和保障粮食安全的重要耕地储备资源,部分原因是它可以储存大量的碳(C)。目前尚不清楚盐碱土地复垦(将盐碱土地转化为耕地)如何影响土壤碳储存。本研究结果表明,与盐碱地相比,盐碱地复垦显著增加了植物来源的碳积累和植物来源的碳与微生物来源的碳比率,导致植物源碳成为SOC储量的主要贡献者,POC封存和MAOC封存分别与盐碱复垦引起的植物和微生物来源的碳积累密切相关,即盐碱地复垦通过优先促进植物来源的碳积累来增加表层土壤中的碳储存量。02引言土壤盐碱化使全球土壤(0-30cm)SOC储量减少了3.47t ha−1。利用土壤修复技术可以有效地逆转这一现象。在农业生态系统中,微生物残体(特别是真菌残体)优先聚集土壤的POC部分。植物和微生物源碳与POC和MAOC含量之间的关系以及植物和微生物来源的碳对盐碱条件下SOC储存的贡献知之甚少。两个公认的生物标志物(木质素酚和氨基糖)已被广泛用于估计植物衍生木质素残体和微生物残体对SOC库的贡献。因此,我们分别使用木质素酚和氨基糖作为植物和微生物残体碳的表征。本研究的目的是(i)量化盐碱土地复垦对表层土壤碳储量的影响,确定影响碳储量的关键因素;(ii)评估植物和微生物来源的碳与POC和MAOC池之间的关系,以及植物和微生物来源的碳对中国主要盐碱区SOC储存的贡献。盐碱地复垦对中国主要盐碱区...
  • 点击次数: 0
    2024 - 05 - 27
  • 点击次数: 0
    2024 - 05 - 20
    文献解读原名:Grazing exclusion increases soil organic C through microbial necromass of root-derived C as traced by 13C labelling photosynthate译名:通过13C标记光合产物的追踪,禁牧通过根源碳的微生物残体增加了土壤有机碳期刊:Biology and Fertility of SoilsIF:6.5/Q1发表日期:5 March 2024第一作者:瞿晴01摘要背景:草原储存了大量的碳,然而,禁牧后土壤碳固存的潜在机制尚不清楚。本研究旨在阐明温带草原在长期禁牧后(~40年) ,植物和微生物残体对土壤有机碳(SOC)贡献的驱动因素。方法:现场进行了13C-CO2原位标记实验,并结合生物标记物追踪植物-土壤系统中的13C,以评估植物对土壤的碳输入。结果:长期禁牧提高了植物和土壤碳库包括地上生物量、地下生物量、微生物生物量和残体;且禁牧草地新输入光合碳在植物和土壤系统中的分配量高于放牧草地,但在土壤CO2中的分配量低于放牧草地。新输入的光合碳在土壤和微生物量中的分配量与根系中光合碳的分配量呈正相关关系。与放牧相比,禁牧提高了草地土壤有机碳含量约2倍,但木质素酚对土壤有机碳的贡献甚微(0.8%),而真菌残体碳的积累是导致土壤有机碳含量增加的主要因素。结论:受矿物颗粒保护的微生物残体碳是导致禁牧草地土壤有机碳含量高于放牧草地的主要因素。总之,禁牧不仅增加了地上生物量,也增加根系生物量和根际沉积,导致微生物生物量和残体的形成,在矿物基质的保护作用在土壤中长期稳定存在。禁牧条件下,微生物残体特别是真菌残体对SOC的积累贡献大于木质素酚。02主要结果图1 放牧和禁牧样地地植物-土壤-微生物系统的碳储量。(a)地上部分碳库;(b)根碳库;(c)土壤有机碳库(0−25c...
  • 点击次数: 0
    2024 - 05 - 17
    文献解读原名:The soil microbiome governs the response of microbial respiration to warming across the globe译名:土壤微生物群落主导了微生物呼吸对全球变暖的响应期刊:Nature Climate Change IF:30.7发布时间:2023.12第一作者:Tadeo Sáez-Sandino01摘要土壤微生物呼吸对变暖的敏感性(Q10)仍然是预测土壤向大气碳排放的一个主要不确定来源,因为驱动各生态系统Q10模式的因素是相互独立评估的。本研究采用了来自各大洲和主要生物群落的332个地点的土壤,同时评估了全球Q10模式的主要驱动因素。与生化难分解性、矿物质保护、底物数量和环境因素相比,土壤微生物群落(即微生物生物量和细菌分类群)解释了Q10值变化中的最大部分。提供了确凿的证据表明土壤微生物群落在很大程度上主导了土壤异养呼吸对变暖的响应,因此在评估陆地碳—气候反馈时需要明确考虑这一因素。02研究背景土壤碳(C)通过土壤异养群落的呼吸释放到大气中是导致大气CO2增加的基本途径。土壤呼吸每年释放的二氧化碳大约是人为排放的五倍,这在很大程度上决定了陆地生态系统是碳源还是碳汇。土壤异养呼吸的温度敏感性(即土壤微生物呼吸随着温度上升10°C而增加的因素;Q10)是预测陆地C-气候反馈水平的主要不确定性来源。生态系统和生物地球化学模型假设Q10为常数,尽管人们普遍认为Q10随温度等环境条件而变化。然而,决定Q10在大空间尺度上变异性的非生物和生物因素的相对贡献在很大程度上仍然未知。解释Q10模式的主要驱动因素通常考虑土壤微生物群、基质数量、矿物保护、生化抗性和环境因素的影响。首先,土壤微生物组(即微生物生物量、丰富度和群落组成)是有机物分解的最终参与者,并随着气候变暖调...
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
微信公众号
Q  Q : 2105984845
地址:中国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
电话:028 8525 3068
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