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我院陈岳民研究员课题组在全球气候变化对森林养分循环的影响研究中取得一系列进展

发布者:孙杰 发布时间:2022-03-26 浏览次数:10

进展一:

新鲜碳(C)输入引起的激发效应(PE)通常会刺激土壤有机质(SOM)矿化。然而,由于植物凋落物的化学成分和氮(N)沉降对土壤微生物群落组成和活性的影响,PE的大小会有所不同。因此,为了更准确地预测土壤C动态和储量,本研究依托戴云山自然保护区专家工作站,进行了为期100天的培养试验,添加313C标记的凋落物(杉木、木荷和楠木凋落物)和无机N,以评估植物凋落物与N添加对亚热带杉木林SOM矿化、PE、微生物群落组成及活性的影响。研究发现,PE的方向随时间而变化,不同的微生物作用机制在不同分解阶段起作用(1)。研究结果表明,不同化学成分的凋落物与N共同输入到土壤中,可以通过刺激亚热带森林中原生SOM矿化的PE而对土壤C储量产生显著影响。此外,需要从短期到长期考虑凋落物化学成分、养分有效性和微生物过程的变化,这对于准确评估未来气候变化背景下的PE变化具有重要意义。

研究成果以“Nitrogen addition stimulates priming effect in a subtropical forest soil”为题发表于Soil Biology and Biochemistry期刊(SCI一区,IF=7.609)。我院2017级博士张秋芳为第一作者,陈岳民研究员为通讯作者,北京大学城市与环境学院朱彪研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目(Nos. 31670620, 31988102)的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108339


1 100天的培养过程中,由凋落物以及凋落物和N添加引起的激发效应(PE)的概念图


进展二:

未来几十年,气候变暖和氮(N)沉降预计将增加,然而,二者的交互作用对森林生态系统及其功能的影响仍不确定。本研究依托福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站的原位土壤增温试验平台和模拟N沉降试验平台,研究了4年增温、N添加以及增温结合N添加对土壤微生物功能基因的组成、多样性和丰度的影响。结果表明,增温对功能基因的组成、多样性和丰度没有显著影响,而增温结合N添加显著提高了土壤CN循环相关功能基因的多样性和丰度,加速了土壤N流失(2)。本研究填补了亚热带森林土壤微生物功能基因研究的空白,表明微生物功能基因对增温结合N添加比单独增温更敏感。研究表明,全球变化背景下,探讨多种因素的共同作用对于预测土壤微生物功能潜力变化的重要性。

研究成果以“Contrasting effects of warming and N deposition on soil microbial functional genes in a subtropical forest”为题发表于Geoderma期刊(SCI一区,IF=6.114)。我院2017级博士张秋芳为第一作者,陈岳民研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目(Nos. 31930071, 31670620)的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115588


2 增温(a)、氮添加(b)以及增温结合氮添加(c)下,亚热带杉木林土壤微生物氮功能基因的归一化信号强度变化


进展三:

气候变暖正成为一个日益严重的威胁,了解气候变暖下植物化学计量学的变化对预测未来气候变暖对陆地生态系统生产力的影响至关重要。然而,当考虑年际降雨量变化时,植物化学计量学对气候变暖如何响应,目前仍知之甚少。本研究依托福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站的原位土壤增温试验平台,利用地埋加热电缆进行了野外土壤增温试验(+5℃),研究了杉木幼苗叶片碳、氮、磷、钾、钙、镁元素化学计量特征、非结构性碳水化合物和稳定同位素。结果表明,化学计量非稳态间接影响杉木幼苗生长对土壤增温的响应(3),因此增温处理对杉木幼苗生长的影响不大。本研究结果有助于理解气候变暖下植物叶片化学计量变化与植物生长变化之间的关系。

研究成果以“Variations in rainfall affect the responses of foliar chemical properties of Cunninghamia lanceolata seedlings to soil warming”为题发表于Frontiers in Plant Science期刊(SCI二区,IF=5.754)。我院2017级博士张秋芳为第一作者,杨玉盛教授与陈岳民研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目(Nos. 31930071, 31670620)的资助。

文章链接:https://doi.org/10.3389/fpls.2021.705861


3 结构方程模型阐明增温引起的化学计量非稳态变化对植物营养的影响,以及化学计量非稳态通过叶片化学计量(养分利用效率)、非结构碳水化合物(NSCs)和稳定同位素15N)对植物生长的间接影响。


进展四:

土壤可溶性有机质(DOM)和细菌群落之间的相互作用是土壤碳(C)循环和养分循环的中心环节,对理解全球变化下C循环的关键过程至关重要。然而,氮(N)沉降如何改变森林土壤细菌群落与DOM的关联以及哪些关键菌群影响DOM组分的转化尚不明确。本研究依托戴云山国家级自然保护区专家工作站,使用平行因子分析法和高通量测序分别探究了N添加2年后DOM荧光组分和微生物群落组成和多样性的变化,并通过共现网络呈现了DOM与细菌群落的关联。共现网络分析发现,N添加后土壤细菌群落与DOM化学组分的网络关系更加复杂,负向联系明显增强(4)。结构方程模型进一步发现,TN含量而不是土壤pHDOC含量,决定了细菌关键类群和DOM组分的变化。研究结果表明短期N添加降低了黄山松林土壤溶解性C库储存,但提高了土壤C的顽固性,并且有助于调节土壤细菌群落的功能,使其与DOM存在更强的交互作用。

以上研究成果以“Relationship between soil bacterial communities and dissolved organic matter in a subtropical Pinus taiwanensis forest after short-term nitrogen addition”为题发表于Forest Ecology and Management期刊(SCI二区,IF=3.558)。我院2019级博士生元晓春为第一作者,陈岳民研究员为通讯作者。该研究得到了福建省自然科学基金项目(Nos. 2020J01397, 2020J01142, 2019J05163)和安徽省自然科学基金项目(No. 2108085QC105)的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.foreco.2022.120165

4 短期氮添加增强了亚热带黄山松林土壤细菌群落与DOM的关联


进展五:

土壤可溶性有机质(DOM)对土壤碳(C)、氮(N)循环至关重要,但N沉降对DOM浓度及化学组分的驱动机制尚不明确。本研究依托戴云山国家级自然保护区专家工作站,探究了中国亚热带黄山松土壤DOM浓度和组分对N添加的响应,并探究了N添加下微生物群落特征对DOM浓度和组分的影响过程。研究结果表明,N添加下DOC含量和亲水组分(HIM)显著降低,但在一定程度上增加疏水组分(HOA+HOB),减少难溶组分(AIM)(5)。同时,N添加显著增加了土壤革兰性阴性菌(G)和微生物生物量氮(MBN)4CN循环相关的酶活性。N添加下,微生物群落特征对DOM浓度及亲水组分的贡献率分别为55%58%N添加促进微生物大量吸收利用DOM和优先利用不稳定组分可能是DOM浓度和亲水组分降低的主要原因。综上所述,本研究结果突出了微生物群落特征对亚热带黄山松土壤DOM浓度和组分调控的重要性,同时有助于评估N沉降加剧等气候变化下森林土壤肥力和土壤质量的转变。

以上研究成果以“Effects of nitrogen deposition on the concentration and composition of soil-based dissolved organic matter in subtropical Pinus taiwanensis forests: a microorganism-based perspective”为题发表于Journal of Soils and Sediments期刊(SCI二区,IF=3.308)。我院2019级博士生元晓春为第一作者,陈岳民研究员为通讯作者。该研究得到了福建省自然科学基金项目(Nos. 2020J01397, 2020J01142, 2019J05163)的资助。

文章链接:

5 氮添加对黄山松土壤DOM浓度和组成的微生物调控机制