土壤CO2浓度变化特征及其对岩溶碳循环的影响

为探究土壤CO₂浓度变化特征及其对岩溶碳循环的影响,于2018年6—12月对重庆市南川区后沟泉水化学及泉域上覆土壤CO₂(监测点土地利用类型为玉米-油菜轮作地)进行为期7个月的连续监测和采样,并结合1—5月的监测数据,定量分析旱雨季土壤CO₂浓度与岩溶碳汇量的季节性演变特征及二者的相互关联性. 结果表明:①土壤CO₂浓度具有显著的季节性变化特征,主要表现为雨季较高、旱季较低,其最高值和最低值分别出现在9月(13 316 μmol/mol)和1月(2 262.63 μmol/mol). ②温度与土壤CO₂浓度之间存在较强的正相关关系(R2=0.82,0.0012浓度之间不具相关性(R2=0.17,P>0.5),说明土壤CO₂浓度主要受温度的影响. ③泉水Ca2++Mg2+、HCO₃?浓度在雨季明显高于旱季,而水体CO₂净消耗量在旱雨季无较大差异,这可能是由于受土壤CO₂效应、降水稀释效应和H₂SO₄/HNO₃释放CO₂的共同影响. 研究显示,土壤CO₂浓度的变化特征表现为季节性差异,但在土壤CO₂浓度及外部环境的多重影响下,岩溶碳循环的季节性变化并不明显.      

室内模拟不同因子对岩溶作用与碳循环的影响

为分析岩溶作用及岩溶碳循环的影响因素,设计了6个不同的处理以进行模拟实验.结果表明H2SO4含量、水动力条件以及土壤厚度对岩溶作用及岩溶碳循环具有重要影响.具有相同土壤厚度的3个处理,其Ca2++Mg2+浓度与SO2-4浓度均表现为:B20-2B20-1B20-3,B50-2B50-1B50-3,说明H2SO4的输入导致了岩溶作用增强,并且下渗水水量增加对水化学性质产生了明显的稀释作用.在煤铁残渣输入量及水动力条件相同而土壤厚度不同的条件下,Ca2++Mg2+浓度与SO2-4浓度表现为:B50-1B20-1、B50-2B20-2、B50-3B20-3.这说明较厚的土壤更有利于岩溶作用的进行.另外,由于实验中H2CO3对碳酸盐岩的溶解量贡献较小,岩溶作用对CO2的净消耗量主要取决于H2SO4含量.但B50-2的SO2-4浓度最大,CO2的净消耗量却最高.这可能是由于煤铁残渣向土壤中输入了有机质或其它养分促进了土壤深部CO2的形成,并且B50-2上部较厚的土壤也导致了H2CO3对碳酸盐岩溶解量的贡献增加,因此B50-2的CO2净消耗量也比较高.     

不同种植方式对亚热带红壤微生物多样性的影响

土壤微生物在推动土壤碳循环过程方面发挥着重要作用,然而种植方式的改变对土壤微生物多样性的影响机制还不十分清楚.本研究采集湖南省盘塘县长期定位试验站红壤稻田(PR)、旱地(UC)及水旱轮作(PR)这3种不同种植方式的土壤样品,采用末端限制性酶切片段长度多态性分析(T-RFLP)技术和实时荧光定量(RT-PCR)技术分析了土壤细菌16S rRNA基因的多样性和丰度,研究种植方式改变对土壤微生物数量、群落结构及其多样性的影响.结果表明,3种种植方式的土壤细菌16S rRNA基因数量(以干土计)为2.5×109~1.5×1010拷贝·g-1,与PR相比,UP和UC处理16S rRNA基因丰度显著下降(P0.05).同时,3种种植方式下土壤细菌的优势类群为变形菌(76、90和327 bp;相对丰度47%~53%)和绿弯菌(65 bp;相对丰度10%~12%).冗余分析表明种植方式改变了土壤理化性质,导致土壤细菌群落结构特征的显著变化,而土壤理化性质中有机碳和全氮含量是影响土壤细菌群落结构的主要因子.多样性指数分析(香农指数和均匀度指数)显示种植水稻的土壤细菌多样性最高,显著高于水旱轮作和旱地土壤.可见,种植方式的改变对土壤群落组成和数量造成了深刻的影响,而水稻种植是亚热带红壤可持续利用的一种有效方式,其更有利于土壤有机质的累积,土壤肥力及微生物多样性均较高.     

市政排水管网水力水质条件对底泥微生物组多样性的影响

为阐释不同水力水质工况对市政排水管网底泥微生物在门和属水平多样性的影响,应用微生物16S rRNA基因测序技术,探讨了底泥微生物组Alpha和Beta多样性、样本组间差异及其与不同环境因子之间的统计学关系及可能原因. 结果表明:①底泥中优势菌门Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes、Acinetobacter等均为有机物降解类细菌,并且随着外源性碳浓度的增加,同种微生物的丰度越高;随着色氨酸类有机物种类越多,微生物群落多样性越高. ②在一定范围内,剪切力越高,底泥中呈显著差异(P≤0.001)的Dechloromona(5.5%)、norank_f_Anaerolineaceae(2.3%)、Longilinea(2.8%)等厌氧细菌(主要功能是分解蛋白、碳水化合物)的丰度越高. ③在一定范围内,温度越高,底泥微生物组的丰度越高. 在41 ℃环境下,呈显著差异(P≤0.001)的优势菌门Chloroflexi(11.1%)和优势菌属Defluviicoccus(4.9%)、Candidatus_Competibacter(3.8%)的相对丰度最高,而Proteobacteria、Bacteroidetes等菌门可能因微生物蛋白质活性受温度影响,丰度降低. ④在碱性环境中,只有Proteobacteria(49.4%)、Chloroflexi(10.1%)等杆状菌丰度最高,没有丝状菌. ⑤SO₄2?浓度对底泥微生物影响较小,但较高SO₄2?浓度提高了上覆水中Methylocystis、Zavarzinia等微生物丰度,抑制了Methylocystis等厌氧微生物的生长. 研究显示,重力流排水管道底泥微生物组多样性变化与水力剪切力、温度、pH、SO₄2?及外源性碳这5个环境因子相关.      

同时提取土壤微生物DNA和RNA方法的研究

获得高浓度、大片段、多样性程度高的土壤微生物总DNA是研究土壤微生物群落结构的分子生态学基础.研究采用PBS缓冲液洗涤土壤样品,结合SDS裂解微生物细胞的方法,同时提取分别添加小麦秸秆粉和油菜秸秆粉的两种土壤样晶的微生物DNA和RNA.对提取出的DNA和RNA进行酶切,基因组PCR和反转录PCR,实验结果表明该法提取的...     

SO2诱导驯化城市污水处理厂氧化沟微生物的多样性分析

对城市污水处理厂氧化沟采集的微生物用低浓度SO2诱导驯化6d以上可培养出脱SO2微生物种群,它们之间相互协同,共同行使着对溶于水中的SO2生化降解的生物学功能,对SO2的生化降解速率高达888mg·（L·h）^-1,1．5h水中的SO3^2-的降解效率〉85％．脱硫菌样品经DNA提取及16SrRNA基因片段的聚合酶链反...     

坡耕地不同作物及有无树篱对土壤微生物群落结构与多样性的影响研究

为研究种植不同作物及有无树篱的坡耕地中土壤微生物群落结构与多样性是否有差异,以湖北秭归张家冲水土保持站试验田坡耕地有无树篱及3种典型作物(茶树、柑橘、花生)搭配共计6种样地为研究对象,测定其土壤的理化性质,并通过16S rDNA测序法对土壤微生物群落组成与多样性进行研究。结果表明:不同作物及有无树篱均对土壤微生物群落组成与多样性有显著影响(p0.05);花生样地含有最多种类的土壤微生物(p0.05),其土壤微生物多样性最高;无树篱样地土壤微生物门和目的数目高于有树篱样地;研究样地中土壤微生物优势种类在门的水平上有变形菌门(Proteobacteria)占总数的23.22%、酸杆菌门(Acidobacteria)16.59%、浮霉菌门(Planctomycetes)14.81%、放线菌门(Actinobacteria)9.38%,在属的水平上有DA101属11.34%、慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)8.77%、出芽菌属(Gemmata)6.19%、红游动菌属(Rhodoplanes)5.05%;土壤微生物分布受土壤理化性质的影响,酸杆菌门和变形菌门细菌丰度与土壤pH值呈显著正相关(p=0.042),说明土壤pH值显著影响土壤微生物的分布。     

一种未见报道过的厌氧氨氧化微生物的鉴定及其活性分析

采用完全混合连续流反应器,以硝化污泥为种泥进行厌养氨氧化微生物的富集培养,在培养的第40 d就具有了明显的厌氧氨氧化活性,在200d时活性达到2160 mg·g-1·d-1(NH4 -N,以VSS计).采用分子生物学手段对培养得到的微生物进行鉴定,确定其为一种尚未被报道的可进行厌氧氨氧化反应的细菌.实验证明培养得到的厌氧氨氧化微生物是以NO2--N为电子受体进行反应,NO3--N不能直接被该厌氧氨氧化微生物利用;反应的适宜pH范围为7～8左右;无机碳源对其厌氧氨氧化活性有很大的影响,在缺少无机碳源时活性几乎被完全抑制.     

喀斯特岩溶、非岩溶区植被总初级生产力与土壤呼吸的空间差异及其环境因子分析

选取中国两个典型喀斯特石漠化生态系统(研究区Ⅰ广西盘阳河流域峰丛洼地石漠化区、研究区Ⅱ云南荞麦地流域中山山地石漠化区),通过遥感影像反演和广泛的野外验证,开展喀斯特生态系统植被总初级生产力(GPP)和土壤呼吸(Rs)的差异分析及其在地形地貌、海拔坡度、土地利用以及岩性等环境因子上的空间分异分析。结果表明:1)两个研究区雨季和非雨季的GPP均值均要大于Rs均值,峰丛洼地的GPP和Rs均值都要高于中山山地,但中山山地的Rs均值两级分异更为明显; 2) GPP与海拔总体上呈现显著的负相关关系(在平均海拔较低的研究区Ⅰ更为明显),GPP均值在坡度大于25°左右时随着坡度的增加而减少;两个研究区的Rs均随着海拔的升高先降后增,坡度小于40°时呈负相关; 3)不同土地覆盖类型GPP均值总体上呈现林地灌丛草地、耕地的规律,而Rs均值呈现出居住建设用地耕地草地灌丛林地的规律,常绿针叶林有着区域内最高的GPP值,城镇建设用地有着最高的Rs均值; 4)研究区雨季与非雨季的GPP、Rs均值均呈现岩溶区小于非岩溶区的特点(p0.001)。本研究可为西南喀斯特生态系统碳循环特征研究提供参考,为分析喀斯特区域碳汇特点和机制提供应用支撑,为区域制定侧重不同的生态策略提供思路和应用参考。     

亚热带典型岩溶水库细菌丰度和细菌生产力及其与环境因子的关系

细菌丰度是反映水体污染状况的敏感指标.为了解亚热带岩溶区水库营养状况,细菌丰度和细菌生产力及其与环境因子的关系,本文以亚热带典型岩溶水库——广西上林县大龙洞水库为研究对象,采用综合营养状态指数法(TLI)评价大龙洞水库水体的营养化类型、荧光定量PCR技术研究细菌丰度分布情况以及14C标记法测定细菌生产力.结果表明,大龙洞水库处于富营养化状态,细菌丰度在调查水域存在明显空间异质性;沿着水流方向从上游到下游表层水的细菌丰度呈先递减后增加的趋势;细菌丰度垂向分布特征均表现为表层中层底层;细菌生产力的变化特征为表层水的细菌生产力明显高于中层和底层.相关性分析表明,细菌丰度与细菌生产力呈显著正相关;细菌丰度与温度、p H、高锰酸盐指数呈显著正相关,与电导率和DIC呈显著负相关,与DO、叶绿素a、DOC呈极显著正相关;细菌生产力则与p H、DOC、高锰酸盐指数呈显著正相关,与电导率、DIC呈显著负相关,与DO极显著正相关.主成分分析将影响细菌丰度和细菌生产力的10个环境因子均划分为两个主成分,第一主成分为温度、p H、电导率、DIC、DO、Chla、DOC和高锰酸盐指数,第二主成分为TN和TP,表明大龙洞水库细菌丰度和细菌生产力受多种环境因子共同影响,进而使光合细菌成为水体初级生产力的重要贡献者.     

岩溶生态系统中的碳循环特征与碳汇效应

碳酸盐岩是岩溶生态系统的物质基础,而碳酸盐岩的形成过程对大气CO2浓度的降低产生重要的作用,目前地球上99.5%的碳被封存在碳酸盐岩中;岩溶生态系统具有富钙、偏碱性的地球化学背景,制约其碳循环特征:碳酸盐岩是在清洁海洋环境中、以生物化学沉积为特征形成的沉积岩,其酸不溶物含量低,通常小于10%,意味着岩溶区土壤资源短缺,土壤总碳库量偏小,同时石灰土的富钙性导致石灰土缓效性碳库和惰性碳库大,土壤碳库的稳定性提高;土壤资源短缺,植被生长发育受到养分、水分的胁迫,使植被的地上、地下生物量的比例发生变化,岩溶区植被地上/地下生物量的比例可占30%～50%,高于非岩溶区的;岩溶水中的高HCO3-浓度,刺激水生植物的光合作用,并将无机碳转化为有机碳,提高碳迁移过程中的稳定性;本文的目的是根据最近的研究成果,揭示岩溶生态系统中碳酸盐岩-土壤-植被-水中碳赋存的状态和转化过程,提出促进岩溶碳汇效应的技术途径。     

典型喀斯特河流水-气界面二氧化碳交换特性及其营养调控因素

为探索喀斯特河流水-气界面二氧化碳(CO2)交换特性及其营养控制因素,以我国典型喀斯特河流——芙蓉江为研究对象,探索了区域气象水文参数、碳酸盐平衡参数、营养元素及总有机碳(TOC)的空间变化特征,同时分析了 CO2分压(pCO2)的空间变化调控因素,pCO2 与总氮(TN)、总磷(TP)和TOC 及其化学计量比的耦合关...     

不同外碳源对尾水极限脱氮性能及微生物群落结构的影响

投加外碳源是污水厂尾水深度脱氮的重要手段.为充分对比多种碳源在极限脱氮条件下的性能及经济性,以及碳源对微生物种群结构的影响,选取甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸钠这4种单碳源,并采用反应速率较高的乙酸钠和乙醇与价格便宜的葡萄糖配制成4种复合碳源进行研究.结果表明,所有系统均能满足出水ρ（NO_x^--N）≤1.0mg·L^-1的要求.单碳源系统,乙醇反应速率最快,投加量最省,费用最低.复合碳源系统,乙酸钠/葡萄糖（1：1）在COD/ρ（N）为6时,与乙酸钠/葡萄糖（1：3）、乙醇/葡萄糖（1：1）和乙醇/葡萄糖（1：3）在COD/ρ（N）为9、10和10时的效果相当,且乙酸钠/葡萄糖（1：1）系统反应速率最快且经济性最好.Illumina MiSeq高通量测序显示,经70 d左右的运行,微生物群落结构发生根本性变化.在与葡萄糖相关的系统,常规脱氮系统不常见的菌门Candidatus Saccharibacteria,丰度从种泥的1.16%提高到47.37%;相应地,在属水平Saccharibacteria_genera_incertae_sedis成为绝对优势菌种.研究结果可为污水厂尾水极限脱氮的碳源选择提供更全面的对比,也为碳源在微生物菌群驯化方面的作用提供更多参考和借鉴.     

茂兰原生森林区岩溶流域水循环碳汇效应

岩溶作用过程积极的参与着碳循环,但在全球碳循环研究中并未对其加以重视。以自动化监测技术为手段,对处于茂兰原生森林区板寨地下河流域进行了一个水文年的实时监测,发现该流域水循环岩溶碳汇值高达353.16tC/a,折合11.8tC/(km2·a)。在此过程中,水循环方式是影响岩溶碳汇的主要因子,潮湿多雨、蒸发量小的天气有利于流域产流,从而可增强碳汇。基于前期森林调查数据,计算得该流域森林植被光合作用碳汇值为454.14tC/a,相当于该区岩溶碳汇的1.3倍。由于光合作用碳汇远大于森林植被的净碳汇,且该区代表了亚热带岩溶区森林顶级生态系统及亚热带岩溶区森林碳汇的最高水平。这说明在亚热带岩溶区,水循环碳汇量与森林植被净碳汇量同等重要,甚至更重要。     

中国南方喀斯特地区碳循环研究进展

中国南方喀斯特地区碳循环路径与过程基本清晰,与其他陆地生态系统明显不同,呈现出鲜明的区域特色:雨热同季、地质构造背景与碳酸盐岩可溶性的耦合,导致碳酸盐岩中大量封存的碳重新进入生态系统碳的循环;二元三维结构中地下空间CO_2具体动态变化性,可视为次级碳库,影响生态系统碳的循环过程;陆生植物、水生植物均有利用HCO_3~-碳源进行光合作用的新途径;发现了碳酸盐岩快速的风化作用与水生植物生物碳泵的耦合机制,喀斯特作用碳汇效应得以确证。但是,中国南方喀斯特地区碳循环的研究还存在明显不足:喀斯特作用碳汇量的估算受到气候变化、土地利用变化的正负机制、外源酸等多因素的挑战,还具有很大的不确定性;植被、土壤与岩石、地下空间次级碳库、大气、大气降水存在复杂的多界面作用过程,碳的通量及迁移转化机制仍不明确。未来研究应重视:针对喀斯特地区特点的新研究方法、技术的研发;喀斯特关键带理念的统领;联网长期观测;模型的集成与创新。     

贵州茂兰喀斯特森林不同演替下土壤真核微生物多样性

真核微生物是茂兰喀斯特森林土壤微生物中的重要组成部分,在生态系统物质循环和能量流动中扮演着重要角色.为了解茂兰喀斯特森林不同演替阶段下土壤真核微生物群落组成及其多样性,利用18S rDNA高通量测序技术研究了原生林(YSL)、灌木林(GML)、灌木丛(GMC)和草地(CD)这4种演替阶段下土壤真核微生物群落多样性.结果表明,在不同分类水平下,不同演替阶段土壤真核微生物群落组成相似.α多样性指数存在显著差异, Shannon指数与Simpson指数在不同演替阶段表现为:YSL>GMC>GML>CD. NMDS分析表明不同演替阶段土壤真核微生物群落结构存在差异; LEfSe分析表明,YSL中差异指示种数量高于GML、GML和CD.本研究结果为研究不同演替阶段下土壤真核微生物提供了理论基础.     

喀斯特常绿与落叶阔叶混交林过去50年来的碳循环模拟

通过对Forest-DNDC模型的植被和土壤参数本地化校准,以气象插值数据为输入,模拟了贵州省普定县高原型喀斯特次生常绿与落叶阔叶混交林1965~2014年的土壤、植被和生态系统碳循环特征。结果表明,与冷模拟和实测值相比,参数本地化校准后的模型能更准确地模拟春、秋、冬3个季节的土壤呼吸动态,而模拟的夏季土壤呼吸偏小;但统计检验指出,参数修订后的Forest-DNDC模型能够较好地模拟喀斯特森林土壤呼吸,降低了模拟误差,可用于喀斯特常绿与落叶阔叶混交林碳动态的模拟。进一步分析发现,1965~2014年喀斯特森林的碳通量除模拟早期的前3~4年急剧增加之外,随后总初级生产力(GPP)保持相对稳定,植物呼吸(Rplant)和生态系统呼吸(R_(ecosystem))随着森林发育而增加,土壤呼吸(R_(soil))减少,植被净初级生产力(NPP)呈迅速减小趋势;净生态系统碳交换量(NEE)亦较迅速下降,在2013年达到最低值-0.17 t C/ha,喀斯特森林由碳汇变为弱碳源。相关分析表明,年均温度和年降水对喀斯特常绿与落叶阔叶混交林的GPP和R_(soil)没有显著影响,但却显著影响NPP、R_(plant)、R_(ecosystem)和NEE。     

贵州喀斯特地区典型土壤碳酸盐垂直分布特征及其同位素组成研究

以贵州为中心的西南喀斯特地区的石漠化是我国实施西部大开发战略中所面临的根本性地域环境问题之一,喀斯特地区石漠化是一种与脆弱生态背景和人类活动相关联的土地退化过程,而土壤退化是土地退化的核心部分.本研究采集了贵州喀斯特地区的砂岩黄壤剖面和石灰土剖面的土壤样品,测定了剖面样品的土壤有机碳含量、土壤碳酸盐含量和土壤碳酸盐δ1...     

藏猪扰动作用下的高寒草甸土壤退化特征及微生物群落结构变化

微生物作为土壤生态系统的重要组成部分,对环境干扰异常敏感,可以反映土壤的健康状况.人类活动导致高寒泥炭土壤面临退化风险,生产力下降、碳汇功能丧失,进而影响土壤微生物的群落结构及多样性.藏猪放牧是我国高海拔藏区一种特有的放牧方式,是导致高寒草甸土壤退化的重要干扰因素之一.应用16S rRNA高通量测序技术对比分析了藏猪放牧干扰和对照（无藏猪放牧）条件下的滇西北高寒草甸泥炭土壤微生物群落结构变化及其对干扰的响应特征.结果表明,藏猪放牧导致土壤微生物α多样性显著降低,且群落结构发生明显变化.高寒草甸泥炭土壤的主要优势菌为变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）.与门水平相比,干扰前后土壤微生物在属水平上的差异更明显,其中鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和薄层菌属（Hymenobacter）的相对丰度在干扰后的土壤中显著增加,而硝化螺菌属（Nitrospira）和红游动菌属（Rhodoplanes）则显著降低.Venn图分析进一步发现,干扰与对照土壤样品中分别有71和136个核心OTU.干扰条件下的土壤特有微生物主要包括伯克霍德氏菌（Burkholderiales）、假单胞菌（Pseudomonadales）、鞘脂单胞菌（Sphingomonadales）等,这些微生物主要聚集在目水平,可以作为干扰条件下的指示微生物.CCA排序表明,硝化螺菌属和红游动菌属的微生物对含水率、速效磷、有机质等土壤环境变量的响应较为敏感.该研究结果为揭示高寒草甸泥炭土壤退化与微生物群落结构及多样性之间的关系提供了理论借鉴.