科研动态

森林生态系统是陆地中重要的碳汇和碳源，在全球碳循环过程中起着重要的作用。天然林和人工林是我国重要的两种森林生态系统，充分认识两种森林土壤有机碳动态变化机理，是评估我国森林生态系统效益的重要依据。基于此，西北大学王俊教授、赵发珠副教授课题组围绕我国不同区域森林土壤碳动态开展研究，取得了系列进展。 

成果一：微生物对顽固碳的降解在热带比亚热带和温带更强

土壤酶是森林生态系统中最具生物活性的组分。纤维素酶和木质素酶是重要的碳降解酶，降解不同的土壤碳组分。木质素酶-纤维素酶活性比值是土壤微生物碳利用偏好的良好指标，在土壤碳循环中发挥重要作用。然而，目前我们对森林土壤中木质素酶-纤维素酶活性比及其驱动因素仍不清楚。本研究，我们推测（1）木质素酶-纤维素酶活性比随着温带森林-亚热带森林-热带森林生态系统的变化呈现增加的趋势，（2）微生物丰度是其变化的主导因素。2019年7-8月，王俊教授、赵发珠副教授和博士生周莎沿我国东部南北森林样带跨3425km的纬度梯度采集了10个森林生态系统的土壤样品（土层0-10cm）。分析了木素酶、纤维素酶活性及二者活性比的生物地理格局，确定了木素酶-纤维素酶活性比值对气候因子、土壤特性和基质以及微生物丰度的响应。结果表明：10个森林生态系统土壤木质素酶平均活性为3.49 nmol· h^-1·g^-1，纤维素酶平均活性为525.26 nmol· h^-1· g^-1。热带森林土壤木质素酶-纤维素酶平均活性比相对亚热带森林高出27.9%，较温带森林高64.2%。偏最小二乘路径模型表明，木质素酶-纤维素酶活性比与土壤基质呈显著负相关（r=-0.94, p<0.001），与微生物丰度呈显著正相关（r=0.38, p<0.01）。方差分解分析进一步揭示，土壤基质对木质素酶-维素酶活性比变异的贡献可达19.4%，而微生物丰度（真菌丰度）的贡献为2.8%。本研究阐明了木质素酶-纤维素酶活性比沿纬度梯度的空间分布格局，突出了热带森林中微生物对顽固碳库的利用偏好，为研究气候变化背景下全球碳循环提供了思路。 

该研究成果受中科院西部之光“西部引进人才”项目和国家自然科学基金（31570440、41601578）资助，已在中科院一区Top期刊《Catena》在线发表，博士生周莎为第一作者，王俊为通讯作者。

中国热带-温带森林样带样点分布

中国热带-温带森林样带土壤酶活性变化

生物和非生物因素对木质素酶-纤维素酶活性比的影响 

生物和非生物因子对木质素酶-纤维素酶活性比的相对贡献

题目:Stronger microbial decay of recalcitrant carbon in tropical forests than in subtropical and temperate forest ecosystems in China

来源：https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106351 

成果二：造林后微生物群落结构和功能基因驱动土壤激发效应

造林通过植物的碳输入改变了原生土壤有机碳的分解（激发效应），进而触发了影响土壤碳动态变化的重要生物地球化学过程。土壤微生物在调控激发效应方面起着至关重要的作用。王俊教授、赵发珠副教授和博士生周莎等以黄土高原14、20、30和45年刺槐人工林为研究对象，以邻近农田为对照，对刺槐人工林土壤的微生物群落结构和激发效应进行宏基因组测序和13C -葡萄糖标记分析。结果表明：在造林时间序列上，累积激发效应先增加后下降，峰值出现在20年刺槐人工林；激发效应主要由微生物群落结构（即真菌/细菌丰度比，变形菌和放线菌相对丰度）、稳定碳分解基因和碳降解酶驱动。根瘤菌目和假心菌目中与激发效应相关的关键功能基因中，有显著促进有机碳激发效应的基因。我们的研究结果表明，造林改变了土壤微生物群落的结构和功能，特别是增强了土壤稳定碳分解基因的丰度，从而促进了土壤有机碳的激发。本研究的结果有助于我们进一步认识在生态脆弱区植被恢复背景下，新碳输入引起的碳矿化相关变化。 

该研究成果受中科院西部之光“西部引进人才”项目和国家自然科学基金（31570440、41601578）支持，已在环境科学与生态学Top期刊《Science of the Total Environment》在线发表，博士生周莎为第一作者，王俊为通讯作者。

研究区域位置图

造林前后微生物性状与土壤激发效应的关系

题目:Microbial community structure and functional genes drive soil priming effect following afforestation

来源:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153925

 成果三：我国森林土壤微生物生物量碳的纬度分布特征及影响因子

土壤微生物生物量碳是评价土壤质量的重要指标。在森林生态系统中，土壤微生物生物量碳作为有生物活性的碳组分，是相对易分解且周转较快的营养库，对碳的固持和累积具有重要意义。目前森林土壤微生物生物量碳的研究多集中于单一林分，对沿纬度梯度变化的气候、土壤理化性质等引起的森林土壤微生物生物量碳含量变化研究还较少。王俊教授、赵发珠教授和博士生周莎等在我国东部南北森林样带沿纬度采集了10个典型森林生态系统的土壤样品（土层0-10 cm），测定了土壤微生物生物量碳含量、土壤理化性质、年均气温及年均降水量等指标，研究了土壤微生物生物量碳含量在纬度梯度上的变化规律及其驱动因素。结果表明：（1）我国森林土壤微生物生物量碳含量变化范围为（200.57±13.99）～（913.32±39.62） mg·kg^-1，且随纬度降低而下降；（2）土壤微生物生物量碳含量与土壤有机碳含量、砂砾含量、水解酶活性、磷含量、pH值、氮含量、土壤有机碳化学结构组分中烷基碳含量均呈极显著正相关，与土壤粉粒含量、氧化酶活性显著正相关；（3）土壤微生物生物量碳含量与年均气温极显著正相关性，与年均降水量无显著相关性。本研究揭示了我国森林生态系统土壤微生物生物量碳沿纬度变化的空间分异规律及其驱动因素，为森林土壤碳循环研究提供了重要理论支撑。

    该成果得到中国科学院西部之光“西部引进人才”项目资助，已在林学T1期刊《林业科学》发表，博士生周莎为第一作者，王俊为通讯作者。

中国森林样带土壤微生物生物量碳含量的变化

题目:我国森林土壤微生物生物量碳的纬度分布特征及影响因子

来源:https://doi:10. 11707 / j.1001-7488. 20220206