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文獻(xiàn)解讀 | 青藏高原高寒草地土壤微生物殘?bào)w碳的驅(qū)動者取決于土壤深度

日期: 2022-02-08
標(biāo)簽:

原名:Depth-dependent drivers of soil microbial necromass carbon across Tibetan alpine grasslands

譯名:青藏高原高寒草地土壤微生物殘?bào)w碳的驅(qū)動者取決于土壤深度

期刊:Global Change Biology

2020年影響因子:?10.863

在線發(fā)表時(shí)間:2021.11.02

第一作者:Mei He

通訊作者:Yuanhe Yang

第一單位:中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

研究背景

微生物壞死碳(C)被認(rèn)為是持久性土壤碳庫的重要貢獻(xiàn)者。然而,目前還缺乏對不同土層特別是高山生態(tài)系統(tǒng)微生物壞死量C的大規(guī)模系統(tǒng)觀測。此外,植物碳輸入和礦物性質(zhì)等生物和非生物變量在調(diào)節(jié)微生物壞死量C方面的相對重要性是否會隨土壤深度而改變尚不清楚。


研究方案

沿著青藏高原約2200公里的高寒草地樣帶進(jìn)行了大規(guī)模采樣,共采集了36個(gè)地點(diǎn)的表土和底土樣品(Figure 1a),并根據(jù)氨基糖估算了微生物殘?bào)wC的含量。為了探索微生物殘?bào)wC的關(guān)鍵決定因素,檢測了各種生物和非生物因素,包括植物碳輸入、微生物性質(zhì)(如微生物生物量C (MBC)、總磷脂脂肪酸(PLFAs))、礦物保護(hù)(粘土含量、鐵/鋁氧化物和交換性鈣)和土壤理化性質(zhì)(如:土壤溫度、有機(jī)碳與全氮比)。進(jìn)一步采用方差分解分析(VPA)和結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)定量分析了這些因素對土壤微生物殘?bào)wC空間變化的相對貢獻(xiàn)。


主要研究結(jié)果

在36個(gè)采樣點(diǎn),表層和深層土壤的微生物殘?bào)wC分別為0.55 ~ 34.78和0.40 ~ 15.19 mg g-1 dry soil,平均值分別為9.57, 1.72和3.29, 0.57 mg g-1 dry soil.?高寒草原、高寒草甸以及整個(gè)高寒草地的微生物殘?bào)wC均隨土壤深度的增加而顯著降低(Figure 1 c)。與總微生物殘?bào)wC一致,真菌和細(xì)菌殘?bào)wC在表土中顯著高于底土(Figure S1)。而在有機(jī)碳?xì)w一化條件下,兩種草地類型的土壤微生物殘?bào)wC含量均無顯著差異(高寒草原:P = 0.47;高寒草甸:P = 0.40)或整個(gè)高寒草甸(P = 0.28,F(xiàn)igure S2)。有趣的是,高寒草地微生物殘?bào)wC對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)顯著低于全球草地?(表土:45.4% vs 58.1%;底土:41.7% vs. 53.7%; Figure S3)。

微生物殘?bào)wC的主要決定因素與土壤深度有關(guān)。在表土中,微生物殘?bào)wC隨植物C輸入量、MBC、總PLFAs、真菌PLFAs和細(xì)菌PLFAs的增加而顯著增加(Figure 2a-e)。與黏土含量、Caexe、Feo+Alo和Fep+Alp也表現(xiàn)出正相關(guān) (Figure 3a-d)。此外,微生物殘?bào)wC隨土壤理化參數(shù)的變化而變化,與土壤水分和有機(jī)碳/全氮 (Figure 4b-d),但與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)(Figure 4c),與土壤溫度沒有顯著關(guān)系 (Figure 4a)。與表土相似,底土微生物殘?bào)wC與植物C輸入量、總PLFAs、細(xì)菌PLFAs (Figure 2f, h, j),粘土含量,Caexe, Feo+Alo, Fep+Alp (Figure 3e-h) 呈正相關(guān)。與土壤濕度(Figure 4f),與土壤pH值(Figure 4g),但不受土壤溫度(Figure 4e)和SOC/TN (Figure 4h)的調(diào)控。

VPA和SEM結(jié)果共同表明,微生物殘?bào)wC的主導(dǎo)驅(qū)動因素在不同土壤深度之間存在差異?(Figure 5-7)。對于表層土壤,VPA結(jié)果表明植物C輸入和礦物保護(hù)在調(diào)節(jié)整個(gè)研究區(qū)微生物殘?bào)wC的積累中發(fā)揮了重要作用。植物C的輸入和礦物保護(hù)完全解釋了92.6%的微生物殘?bào)wC的空間變異 (Figure 5a)。SEM分析還表明,微生物殘?bào)wC主要受植物C輸入和礦物保護(hù)的直接影響 (Figure 6a),標(biāo)準(zhǔn)化直接效應(yīng)分別為0.48和0.55?(Figure 7a)。此外,植物C的輸入通過調(diào)節(jié)土壤pH和礦物保護(hù)間接影響微生物殘?bào)wC (Figure 7a)。VPA結(jié)果表明,與表層土壤相比,在深層土壤中,礦物保護(hù)對微生物殘?bào)wC變化的解釋比例(30.1%)遠(yuǎn)高于植物C輸入(4.1%)?( Figure 5b)。SEM分析證實(shí)了礦物保護(hù)在調(diào)節(jié)土壤微生物殘?bào)wC中的重要作用 (Figure 6b)。生物和非生物因素共同解釋了62%的微生物殘?bào)wC的空間變異 (Figure 6b)。其中,礦物保護(hù)對微生物殘?bào)wC的直接影響最大,而植物C的輸入對最終的SEM沒有直接影響 (Figure 7b)。

文獻(xiàn)解讀 | 青藏高原高寒草地土壤微生物殘?bào)w碳的驅(qū)動者取決于土壤深度

Figure 1?Geographic distributions of sampling sites (a) and frequency distributions of microbial necromass C in the topsoil (b) and subsoil (d) across Tibetan alpine grasslands, and comparison of microbial necromass C between the two soil depths in alpine meadow, alpine steppe and the whole alpine grassland (c). The vegetation map is derived from China's Vegetation Atlas (Editorial Committee for Vegetation Map of China, 2001). The horizontal lines and circles inside each box represent the medians and the mean values, respectively. The ends of the boxes show the 25th and the 75th quartiles, and the whiskers indicate the standard deviation (SD), respectively.

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Figure 2?Relationships between microbial necromass C and biotic factors including plant C input (a, f), MBC (b, g), total PLFAs (c, h), fungal PLFAs (d, i) and bacterial PLFAs (e, j). Blue and yellow symbols represent data points in the topsoil and subsoil, respectively. The solid cycles and triangles represent data points from alpine steppe (n = 22) and alpine meadow (n = 14), respectively. The solid lines were fitted by ordinary least-squares regressions, and the shadow areas corresponded to 95% confidence intervals. * and ** represent significant level at P < 0.05 and P < 0.01, respectively. MBC: microbial biomass carbon. PLFAs: phospholipid fatty acids.

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Figure 3?Relationships between microbial necromass C and mineral protection including clay content (a, e), Caexe (b, f), Feo+Alo (c, g) and Fep+Alp (d, h), respectively. Blue and yellow symbols represent data points in the topsoil and subsoil, respectively. The solid cycles and triangles represent data points from alpine steppe (n = 22) and alpine meadow (n = 14), respectively. The solid lines were fitted by ordinary least-squares regressions, and the shadow areas corresponded to 95% confidence intervals. * and ** represent significant level at P < 0.05 and P < 0.01, respectively. Caexe: exchangeable Ca2+; Feo+Alo: sum of pyrophosphate-extractable Fe/Al oxides; Fep+Alp: sum of oxalate-extractable Fe/Al oxides.

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Figure 4?Relationships between microbial necromass C and soil physicochemical properties including soil temperature (a, e), soil moisture (b, f), soil pH (c, g) and SOC/TN (d, h), respectively. Blue and yellow symbols represent data points in the topsoil and subsoil, respectively. The solid cycles and triangles represent data points from alpine steppe (n = 22) and alpine meadow (n = 14), respectively. The solid lines were fitted by ordinary least-squares regressions, and the shadow areas correspond to 95% confidence intervals. * and ** represent significant level at P < 0.05 and P < 0.01, respectively. SOC: soil organic carbon; TN: total nitrogen.

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Figure 5?Results of variation partitioning analyses illustrating the relative contribution of plant C input and mineral protection to microbial necromass C in the (a) topsoil and (b) subsoil. The retained mineral variables by stepwise regression model were Caexe and Feo+Alo in both the topsoil and subsoil. X1 and X2 indicate the pure effect of each type of variable, and X3 suggests the joint effect of two types of variables. Caexe: exchangeable Ca2+; Feo+Alo: sum of pyrophosphate-extractable Fe/Al oxides; Fep+Alp: sum of oxalate-extractable Fe/Al oxides.

文獻(xiàn)解讀 | 青藏高原高寒草地土壤微生物殘?bào)w碳的驅(qū)動者取決于土壤深度

Figure 6?Structural equation models (SEM) revealing the direct and indirect effects of biotic and abiotic factors on microbial necromass C in topsoil (a) and subsoil (b). Black and red solid arrows indicate positive and negative associations, respectively. Dotted lines represent pathways that are not significant. Numbers adjoining the arrows indicate significant standardized path coefficients. The arrow width is proportional to the strength of the association. The multiple-layer rectangles indicate the first component from the PCA of mineral and microbial properties, and the vertical arrows within it represent the positive relationships between adjacent variables and the corresponding PC1. SOC: soil organic carbon; TN: total nitrogen; PLFAs: phospholipid fatty acids; MBC: microbial biomass carbon. Caexe: exchangeable Ca2+; Feo+Alo: sum of pyrophosphate-extractable Fe/Al oxides; Fep+Alp: sum of oxalate-extractable Fe/Al oxides; *, P < 0.05; **, P < 0.01; ***, P < 0.001.

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Figure 7?Standardized effects of each variables from the structural eaquation modelling (SEM) analysis. (a) and (b) represent standardized direct effects of plant C input and mineral protection in the top and subsoil, respectively; (c) and (d) correspond to standardized indirect effects of soil moisture, soil pH and and plant C input in the topsoil and subsoil, respectively. The values adjacent to the column represent the standardized coefficients in SEM.


結(jié)論

基于大規(guī)模調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,青藏高原高寒草地表層和深層土壤微生物殘?bào)w C對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均高達(dá)40%。微生物殘?bào)wC的主導(dǎo)因素也與土壤深度有關(guān): 植物C輸入的作用隨著土壤深度的增加而減弱,而礦物保護(hù)的作用則隨著土壤深度的增加而增強(qiáng)。因此,本研究強(qiáng)調(diào)土壤深度之間微生物殘?bào)w碳的差異控制應(yīng)納入地球系統(tǒng)模型,以減少土壤碳動態(tài)預(yù)測中的不確定性。本研究還表明,礦物保護(hù)似乎是控制深層土壤微生物殘?bào)wC長期穩(wěn)定的關(guān)鍵機(jī)制,這可能會減緩氣候變化下潛在的正C-氣候反饋效應(yīng)。

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    土壤酶活性,是指土壤酶催化物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力。常以單位時(shí)間內(nèi)單位土壤的催化反應(yīng)產(chǎn)物量或底物剩余量表示。土壤酶活性既包括已積累于土壤中的酶活性,也包括正在增殖的微生物向土壤釋放的酶活性,它主要來源于土壤中的微生物,動物和植物。土壤酶活的分類:已知的酶根據(jù)酶促反應(yīng)的類型可分為六大類。即水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、異構(gòu)酶和連接酶。1. 水解酶類: 酶促各種化合物中分子鍵的水解和裂解反應(yīng)。主要包括蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶等。2.氧化還原酶類: 指催化兩分子間發(fā)生氧化還原作用的酶的總稱。主要包括脫氫酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶等。3.轉(zhuǎn)移酶類: 指能夠催化除氫以外的各種化學(xué)官能團(tuán)從一種底物轉(zhuǎn)移到另一種底物的酶類,包括轉(zhuǎn)氨酶、果聚糖蔗糖酶、轉(zhuǎn)糖苷酶等。4.裂合酶類: 指催化由底物除去某個(gè)基團(tuán)而殘留雙鍵的反應(yīng)、或通過逆反應(yīng)將某個(gè)基團(tuán)加到雙鍵上去的反應(yīng)的酶的總稱,主要包括谷氨酸脫羧酶、天門冬氨酸脫羧酶等。5.異構(gòu)酶類: 酶促有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成它的異構(gòu)體的反應(yīng)。6.連接酶類: 是一種催化兩種大型分子以一種新的化學(xué)鍵結(jié)合一起的酶。測定方法分析:1.生化培養(yǎng)法作為酶活測定的重要方法之一,其又細(xì)分為分光光度法和滴定法。分光光度法:其基本原理是酶與底物混合經(jīng)培養(yǎng)后產(chǎn)生某種帶顏色的生成物,可在某一吸收波長下產(chǎn)生特征性波峰,再用分光光度計(jì)測定設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)物及生成物的吸光值,由此確定酶活性的含量。滴定法:如果產(chǎn)物之一是自由的酸性物質(zhì)可用此法。如脂肪酶催化脂肪水解釋放出脂肪酸,脂肪酸的含量可以通過滴定進(jìn)行定量,通過計(jì)算反應(yīng)過程中脂肪酸的增加量就可以計(jì)算出脂肪酶的酶活力。2.熒光法熒光法是一種基于熒光信號的酶活測定方法,其原理是通過測量酶促反應(yīng)中熒光物質(zhì)的變化來推算酶活性。熒光法具有較高的靈敏度和選擇性,...
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    草原土壤儲存有439 Gt有機(jī)碳(SOC),在調(diào)節(jié)區(qū)域乃至全球氣候變化進(jìn)程中起著重要作用。然而,全球氣候變化背景下,大氣氮沉降的“施肥效應(yīng)”強(qiáng)烈地影響著土壤碳儲存。因此,明確高寒草甸SOC組分對氮、磷富集的響應(yīng)和潛在機(jī)制至關(guān)重要。西南民族大學(xué)高寒濕地生態(tài)保護(hù)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)馬文明副研究員課題組依托青藏高原生態(tài)保護(hù)與畜牧業(yè)高科技研究示范基地和四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站以紅原高寒草甸為研究對象進(jìn)行了長期氮磷添加實(shí)驗(yàn)。采取隨機(jī)區(qū)組用尿素(CO(NH2)2)和過磷酸鈣(Ca(H2PO4)2·H2O)設(shè)計(jì)7個(gè)施肥梯度,氮肥施尿素(46.65%N),磷肥施過磷酸鈣(16%P2O5),施肥梯度分別為(0g尿素+0g過磷酸鈣)/m2(CK)、(10g尿素)/m2(N10)、(30g尿素)/m2(N30)、(10g過磷酸鈣)/m2(P10)、(30g過磷酸鈣)/m2(P30)(5g尿素+5g過磷酸鈣)/m2(NP10)、(15g尿素+15g過磷酸鈣)/m2(NP30)。研究發(fā)現(xiàn),氮和磷添加導(dǎo)致 SOC含量增加19.95%–36.66%;在相同施肥條件下,SOC含量隨著施肥梯度的增加而增加,在N30處理下達(dá)到最高;N和P添加促進(jìn)了脂肪族碳和芳香族碳的富集;與其他處理相比,NP30處理下SOC的穩(wěn)定性最高,而P10處理下SOC的穩(wěn)定性最低。表明N和P添加促進(jìn)了不穩(wěn)定碳的損失和穩(wěn)定碳的富集,從而提高了SOC的穩(wěn)定性,促進(jìn)了高寒草甸SOC的封存。總體而言,氮磷添加改變了高寒草甸土壤有機(jī)碳的理化性質(zhì)以及SOC的官能團(tuán)組成,進(jìn)而促進(jìn)了SOC積累。因此,在退化的生態(tài)系統(tǒng)中添加氮和磷可能是改善土壤碳固存的有效措施。該項(xiàng)研究近期以題為Nitrogen and phosphorus supply controls stability of soil organic carbon in...
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案例名稱: 孵化中心
說明: 栢暉生物科技有限公司項(xiàng)目孵化中心成立于2015.06.01日,研發(fā)領(lǐng)域涉及生物試劑耗材、儀器、新產(chǎn)品開發(fā)及各生物科技服務(wù)類項(xiàng)目等。自成立以來,陸續(xù)吸引了大批專家教授加盟合作,并與全國數(shù)十家高校及知名企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系。中心共有博士及以上學(xué)位骨干人員10人,專門負(fù)責(zé)公司新產(chǎn)品研發(fā)等工作,已成功研發(fā)出無線溫度監(jiān)控器及NO檢測試劑盒等產(chǎn)品(詳情見成功案例),另有細(xì)胞分選儀等三個(gè)項(xiàng)目正在積極孵化當(dāng)中。
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案例名稱: 孵化中心流程
說明:
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