土壤呼吸对秸秆与秸秆生物炭还田的响应及其微生物机制

土壤呼吸释放CO_2是温室气体排放的重要途径之一,减少土地利用中温室气体排放、增强土壤碳汇聚能力对于减缓全球温室效应具有重要意义。生物炭具有改善土壤理化性质、增加作物产量、调节土壤微生物性质等特性。本研究采用室外盆栽的方式,以地肤草为目标植物,研究了芦苇、水稻、互花米草三种农林秸秆及其秸秆生物炭还田对土壤的改良效应,以及对土壤呼吸的影响及其微生物机制。结果表明:秸秆及其秸秆生物炭均可改善土壤肥力,促进植物生长,且生物炭改良效果略好于秸秆直接还田。但秸秆生物炭还田的土壤呼吸显著低于秸秆直接还田,其中芦苇生物炭最低。秸秆直接还田可促进土壤β-糖苷酶、脱氢酶和活性微生物量等微生物活性指标,从而促进土壤呼吸,增加土壤CO_2的释放,而生物炭还田对土壤微生物活性无显著的促进作用,反而有一定的抑制作用,这可能是由于生物炭中易降解有机物含量很低,可降解性较低的缘故。     

生物多样性与稳定性机制研究进展

随着全球生物多样性的迅速丧失,生物多样性与生态系统稳定性的关系已成为人类面临的重要科学问题。许多研究表明生物多样性与稳定性存在正相互关系,但其内在机制尚不能被很好地理解并且存在争议。对生物多样性与稳定性的研究历史做简短的回顾,然后根据时间稳定性的计算方法将时间稳定性分为平均值、方差之和以及协方差之和3个统计组成部分,在此基础上对现在常见的生物多样性-稳定性机制进行分类和详细介绍。并对现在生物多样性和稳定研究的争论进行总结。建议未来生物多样性稳定性关系的研究应该建立更加综合的理论,增加实验时间,应用整合分析(meta-analysis)对已发表实验结果进行综合分析,此外,应多关注非生物量/多度的属性,控制物种属性而不是仅仅控制物种的数量。     

生物炭对农田土壤氨挥发的影响机制研究进展

降低土壤氨挥发量是农田生态系统中减少土壤氮素损失、提高氮肥利用率的关键途径之一。生物炭具有独特的理化性质,施入土壤后可改变土壤理化性状,影响土壤氮素循环,并对农田土壤中氨挥发产生重要的影响。本文首先介绍了稻田和旱田两种土地利用方式下农田氨挥发过程及其影响因素(气候条件、土壤环境、施肥管理等);其次,重点综述了生物炭对农田生态系统氨挥发影响的研究进展,并从物理吸附机制、气液平衡机制、生物化学过程调节机制等方面探讨了生物炭介入下农田土壤氨挥发的响应机制,认为土壤氨挥发减排的响应主要是基于生物炭表面含氧官能团对土壤NH₄⁺和NH₃的吸附作用及促进土壤硝化作用;而生物炭增加土壤氨挥发排放主要与生物炭提高土壤pH值和透气性、增强土壤有机氮矿化微生物活性有关。最后,对生物炭减少土壤氨挥发、提高氮肥利用率的研究方向进行了展望。     

亚磁场及其生物响应机制

根据亚磁生物学的研究历史和空间亚磁环境的实际情况,本文定义磁感应强度总量在“0<|B|≤5 μT”区间内的静态弱磁场为亚磁场．亚磁场能对生命活动的多个方面,特别是中枢神经系统产生负面影响．随着月球与火星航天计划的开展,航天员将长期暴露于亚磁空间中．这可能对宇航员的身心健康带来潜在的危害．亚磁场生物学效应及其机制的研究,将为相关载人航天的空间防护提供理论基础,已成为空间生物科学以及航天医学等相关领域的新热点．     

生物炭对土壤有机碳矿化的激发效应及其机理研究进展

近年来由于生物炭具有碳素稳定性强和孔隙结构发达等特性,其在土壤固碳减排方面的作用研究受到广泛关注.然而当生物炭进入土壤环境后最终是增加土壤碳的储存还是促进土壤碳的排放?目前学术界对该问题仍存在争议.生物炭对土壤有机碳的激发效应及其机理研究有待进一步深入开展.本文在分析生物炭自身碳素组分和稳定性、孔隙结构及表面形态特征的基础上,综述了添加生物炭对土壤本底有机碳矿化产生激发效应的研究进展,分别阐述了产生正激发和负激发效应(即促进和抑制矿化)的机制机理,认为正激发效应主要是基于生物炭促进土壤微生物活性增强、生物炭中易分解组分的优先矿化以及由此引发的土壤微生物的共代谢作用,而负激发效应主要是基于生物炭内部孔隙结构和外表面对土壤有机质的包封作用和吸附保护作用、生物炭促进土壤有机-无机复合体形成的稳定化作用、生物炭对土壤微生物及其酶活性的抑制作用.最后对今后相关研究方向进行了展望,以期为生物炭在土壤固碳减排方面的应用提供理论依据.     

生物炭影响作物生长及其与化肥混施的增效机制研究进展

利用秸秆型生物炭进行还田改土不仅具有提升作物产量的潜力,而且能够产生明显的环境效益,现已成为当今国内外农业领域的研究热点.本文综述了近年来国内外有关生物炭添加影响作物生长的分子调控机制研究,尤其关注了生物炭与作物根系的互作效应;介绍了生物炭与化肥混施的生物学效应及可能的增效机制;展望了今后的研究方向,以期促进我国相关领域的研究.国内外的最新研究表明:生物炭土壤添加改善植物生长的关键是生长素相关信号转导分子,通过促进植物细胞扩增、细胞壁松弛、水及营养的转运等相关基因的表达,有利于植物的新陈代谢及生长.生物炭及其与根系的相互作用能够直接或间接地影响土壤物理、化学、生物因子,从而在炭、肥互作增效过程中起主导调控作用.     

细菌的光响应及其机制研究进展

光作为一种环境信号,对细菌的生长和代谢有广泛的调节作用。对于光合细菌来讲,一方面,感光蛋白可以协助光合细菌游向最适的光环境,以利于其细胞内的光系统进行光合作用;另一方面,一些光合细菌可以感受并捕获光能为代谢提供能量。目前发现有些非光合细菌也有光响应,感光蛋白在细菌基因组内是普遍存在的,而且与细菌的一些生理功能有关。本文以非光合细菌为主介绍了目前在细菌中发现的趋光现象及其响应机制。     

生物炭对污染物的土壤环境行为影响研究进展

近年来,生物炭已成为农业、生态修复和环境保护领域的研究热点。一般认为,生物炭具有改善土壤质量、增加土壤碳汇、减少大气CO2浓度以及修复污染环境等功能。大量的生物炭施用到土壤后会改变土壤性质,影响重金属和有机污染物在土壤中的环境行为以及它们在环境中的归趋。本文就生物炭对土壤中重金属的吸附-解吸、在土壤中的形态转化、在土壤-植物系统中迁移行为、对有机污染物的吸附挥发及生物有效性进行了概述;在此基础上,扼要分析了当前生物炭应用存在的环境风险等问题,并从生物炭在土壤中的迁移转化及其归趋、生物炭的长期环境效应以及生物炭应用方向等方面进行了展望。     

施用生物炭对土壤动物群落的影响研究进展

土壤动物是土壤生物群落不可或缺的组成部分,是调控土壤生态过程重要的生物驱动因子。探明向土壤中施加生物炭对土壤动物群落的影响及二者之间的相互关系,对深刻认识土壤生态系统的运行机制、评价土壤生态服务功能具有重要意义。本文综述了施用生物炭对土壤动物群落的影响及机制,包括生物炭原料、制备温度、施用量的差异对土壤动物群落造成的直接影响,及以生物介导(改变植物生理特性、提高微生物数量)和非生物介导(土壤理化性质的改变)环境条件的改变对土壤动物群落造成的间接影响。低量生物炭添加下(生物炭与土壤质量比＜5%),对土壤动物的生长繁殖和行为活动起促进作用,若施炭量过高(＞10%),则会产生毒害;土壤动物的行为活动也会影响生物炭的稳定性。未来应该加强长期田间定位、时空变异性、多学科交融和分析预测等方面的研究。     

生物炭对土壤氮循环的影响研究进展

在定性资料调研的基础上,基于ISI Web of Science数据库,采用文献计量学方法,针对"生物炭对土壤氮循环的影响"及其分支技术进行文献检索、数据整理、分类以及主题分析,从国际整体研究态势和分支技术主题两个角度探讨了目前国内外生物炭影响土壤氮循环方面的研究进展,并从生物炭对土壤N_2O排放、肥料利用率、硝化速率、NH_4~+/NH_3吸附、NO_3~-吸附以及土壤微生物氮素固持等6个方面的影响进行了详细论述。近年来,生物炭对土壤氮循环的影响研究急剧增温,发文量逐年增加,截止2014年6月,SCI数据库中共检索到2468篇论文。其中,期刊论文2188篇、综述性论文93篇,其它类论文177篇。美国、加拿大、英国等欧美国家在该领域的研究中占有明显优势,而自2010年以来,中国已成为该领域全球第一的年发文大国。发文热点主要集中在生物炭对土壤N_2O排放和对氮肥利用率的影响2个方面,占总发文量的73.7%。从6个方面的分支技术主题来看,生物炭的影响作用争议性较大。大部分研究认为,生物炭能够抑制土壤N_2O排放、提高氮肥利用率、促进土壤硝化速率、提高土壤对NH_4~+/NH_3和NO_3~-的固持作用以及土壤微生物氮素固持作用等,但也有研究表明生物炭会促进土壤N_2O排放、抑制土壤硝化速率,且不具备NO_3~-固持能力。这主要与生物炭的类型、老化过程,以及土壤类型及其含水孔隙率等密切相关。总之,探讨了生物炭对土壤氮循环影响的研究动态、热点及主要结论,为深入了解生物炭对土壤理化特性影响的作用机制提供了一定研究思路,为生物炭的农业应用提供了一定借鉴和参考。     

植物入侵机制的主要假说

植物入侵是最严重的全球问题之一,严重破坏生态系统的结构和功能。随着植物入侵现象日益严峻,要控制和解决外来植物入侵问题,了解和掌握植物入侵机制尤为重要。本文概述了植物入侵的多种机制及不同机制间的协同作用,阐述了植物入侵过程中的化感作用、植物-土壤反馈机制、互惠共生关系,以及植物功能性状和表型可塑性对入侵过程的影响,并对多种机制协同与植物入侵轨迹的关系进行综合分析。根据分析结果将外来植物在侵入地的入侵时间轨迹分为引入、定植、建立和侵入4个阶段,把遇到的各种阻碍和促进因素融入其中,提出外来植物入侵曲线图,有助于未来对入侵植物及其影响的研究和管理。对现有的植物入侵研究方法进行分析,提出现阶段研究的不足以及未来的研究方向和目标。     

生物质炭对土壤氮素循环的影响及其机理研究进展

生物质炭因其特殊的理化性质,具有改良土壤、持留养分、提高肥力及增加土壤碳库贮量的作用,成为土壤生态系统生物地球化学循环和农业固碳减排领域的研究热点.作为一种人为输入的新材料,生物质炭将直接或间接地参与土壤氮素物质的周转,进而对土壤生态系统功能产生深远的影响.本文综述了生物质炭输入对土壤生态系统氮素循环的影响研究,重点概述了生物质炭对土壤氮素物质吸附作用以及硝化作用、反硝化作用和固氮作用等生物化学过程的影响,并对其潜在的机理进行了分析.在此基础上,对今后生物质炭与土壤氮素循环的相互作用进行了展望.     

生物炭对土壤中抗生素抗性基因的阻控潜力及机制研究进展

土壤中抗生素抗性基因(ARGs)污染是全世界面临的重大环境和健康挑战,开发有效技术以减少其负面影响对维护土壤和人类健康至关重要。生物炭具有高碳含量、大表面积、良好的吸附性能和经济优势,可能是一种非常合适的阻控材料。其对ARGs的阻控作用可能归因于以下3种机制: 1) 吸附某些污染物,如抗生素和重金属,减弱ARGs的共选择性压力;2) 通过改变土壤理化特性影响微生物种群结构,从而限制细菌之间ARGs的水平转移;3) 通过吸附或破坏质粒、转座子、整合子等水平转移载体,直接减弱基因水平转移能力。但生物炭对ARGs的阻控效果取决于生物炭的物料来源、热解工艺和添加水平等。此外,生物炭的老化可能会降低其阻控ARGs的效果。生物炭的内源性污染物,如多环芳烃和重金属,也可能导致环境中特定抗生素抗性细菌的富集或诱导水平基因转移。在后续研究中,应根据土壤环境选择合适的生物炭种类,并采取生物炭老化控制措施,以进一步提高生物炭对ARGs的阻控作用。     

Possible mechanisms underlying the vasorelaxant response to atrial natriuretic factor

Synthetic analogs of atrial natriuretic factor (ANF) have been utilized to assess possible mechanisms underlying the vasorelaxation response to this peptide. ANF is a potent relaxant of aortic smooth muscle contracted by a variety of agonists and low (e.g., 20 mM) but not high (e.g., greater than or equal to 80 mM) levels of extracellular K+. The relaxation does not require the presence of a functional endothelium and is temporally associated with the elevation of tissue levels of cyclic GMP resulting from a direct activation of particulate guanylate cyclase. The ANF-induced relaxation is not associated with membrane hyperpolarization but may be related to an alteration of Ca2+ handling by the vascular smooth muscle cell via inhibition of agonist-induced Ca2+ translocation, stimulation of Ca2+ extrusion, or interference with Ca2+ release from intracellular storage sites. ANF displays regional vasorelaxant selectivity in vitro (e.g., arteries vs. veins, central vs. peripheral arteries), which may be, in part, a function of an altered distribution of high-affinity receptors and/or particulate guanylate cyclase. These latter developments may explain the discrepancy between the potent vasorelaxant response in vitro and the modest or limited vasodilator response in whole-animal experiments.     

Toward an understanding of mechanisms regulating plant response to biochar application

Plant growth and development are affected by several environmental factors, among which soil nutrient availability. Biochar addition to soil is recognized to exert beneficial effects on soil fertility and thus plant growth; furthermore, it is a promising option for climate change mitigation. However, multi-species studies and meta-analyses have indicated considerable variations in biochar responses among plant species. To date, information on the biochar effect on plants, especially at molecular level, is still scarce. Using a multi-target approach with a model plant such as tomato, we demonstrate that biochar has a negligible effect on soil nutrient content and plant growth, even if it misbalances the plant photosynthetic machinery, as well as mechanisms recognizing pathogen-derived molecules. Ethylene could be one of the signal-molecule driving the alteration of tomato-pathogen recognition signaling by inactivation of vesicle trafficking. All these modifications could be at the basis of the increased susceptibility of biochar-treated plants to pathogen attack. Further organ-specific and tissue-specific multi-level studies, from high-resolution internal processes towards high-throughput external phenotyping, coupled with powerful biostatistic and informatic analysis, will help to decipher, in a network-type fashion, all the factors and signaling mechanisms related to the complex interaction between different plant, soil and biochar types.     

凋落物分解及其影响机制

为系统了解中国凋落物分解及其影响机制的研究进展, 基于当前常用的4个学术期刊数据库(中国知网、ISI Web of Science、ScienceDirect和Springer Link), 检索1986-2018年的相关文献并进行计量分析。中国凋落物分解研究以森林生态系统为主(占65%), 且多集中于易于观测的地上凋落物部分, 未来应加强地下部根系凋落物分解研究。凋落物分解研究对象通常选取当地优势种或主要组成物种(约占68%), 考虑到混合效应的存在, 仅依据单一凋落物分解研究结果来反映自然界中混合凋落物的实际分解特征具有局限性。目前中国凋落物分解研究主要集中在碳、氮、磷3种元素上, 应更多关注影响分解的重要化学组分(如钾、铁、锰、木质素、单宁等)和环境污染相关重金属元素的迁移转化及调控机理。未来需将植物-凋落物-土壤作为一个整体, 结合生态化学计量学, 系统研究各元素的生物地球化学循环过程、机制及耦合关系。氮沉降和气候变化对凋落物分解的影响是当前研究热点, 特别是氮、磷等多因子交互作用对凋落物分解的影响, 以及气候变暖背景下凋落物分解的温度敏感性、冻土区凋落物分解驱动机制的研究。     

A review of physiological and cellular mechanisms underlying fibrotic postoperative adhesion

Postoperative adhesions (PA) are fibrotic tissues that are the most common driver of long-term morbidity after abdominal and pelvic surgery. The optimal drug or material to prevent adhesion formation has not yet been discovered. Comprehensive understanding of cellular and molecular mechanisms of adhesion process stimulates the design of future anti-adhesive strategies. Recently, disruption of peritoneal mesothelial cells were suggested as the ''motor'' of PA formation, followed by a cascade of events (coagulation, inflammation, fibrinolysis) and influx of various immune cells, ultimately leading to a fibrous exudate. We showed that a variety of immune cells were recruited into adhesive peritoneal tissues in patients with small bowel obstruction caused by PA. The interactions among various types of immune cells contribute to PA development following peritoneal trauma. Our review focuses on the specific role of different immune cells in cellular and humoral mechanisms underpinning adhesion development.     

Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: a review

Natural organic biomass burning creates black carbon which forms a considerable proportion of the soil’s organic carbon. Due to black carbon’s aromatic structure it is recalcitrant and has the potential for long-term carbon sequestration in soil. Soils within the Amazon-basin contain numerous sites where the ‘dark earth of the Indians’ (Terra preta de Indio, or Amazonian Dark Earths (ADE)) exist and are composed of variable quantities of highly stable organic black carbon waste (‘biochar’). The apparent high agronomic fertility of these sites, relative to tropical soils in general, has attracted interest. Biochars can be produced by ‘baking’ organic matter under low oxygen (‘pyrolysis’). The quantities of key mineral elements within these biochars can be directly related to the levels of these components in the feedstock prior to burning. Their incorporation in soils influences soil structure, texture, porosity, particle size distribution and density. The molecular structure of biochars shows a high degree of chemical and microbial stability. A key physical feature of most biochars is their highly porous structure and large surface area. This structure can provide refugia for beneficial soil micro-organisms such as mycorrhizae and bacteria, and influences the binding of important nutritive cations and anions. This binding can enhance the availability of macro-nutrients such as N and P. Other biochar soil changes include alkalisation of soil pH and increases in electrical conductivity (EC) and cation exchange capacity (CEC). Ammonium leaching has been shown to be reduced, along with N₂O soil emissions. There may also be reductions in soil mechanical impedance. Terra preta soils contain a higher number of ‘operational taxonomic units’ and have highly distinctive microbial communities relative to neighbouring soils. The potential importance of biochar soil incorporation on mycorrhizal fungi has also been noted with biochar providing a physical niche devoid of fungal grazers. Improvements in soil field capacity have been recorded upon biochar additions. Evidence shows that bioavailability and plant uptake of key nutrients increases in response to biochar application, particularly when in the presence of added nutrients. Depending on the quantity of biochar added to soil significant improvements in plant productivity have been achieved, but these reports derive predominantly from studies in the tropics. As yet there is limited critical analysis of possible agricultural impacts of biochar application in temperate regions, nor on the likelihood of utilising such soils as long-term sites for carbon sequestration. This review aims to determine the extent to which inferences of experience mostly from tropical regions could be extrapolated to temperate soils and to suggest areas requiring study.