根際碳氮循環(huán)是植物和土壤系統(tǒng)之間最活躍的土壤過程，其對環(huán)境變化極其敏感。研究大氣CO2加富背景下根際碳氮耦合機制對準確預測陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮積累潛能具有至關重要的意義。土壤微生物是植被凋落物以及土壤有機碳的主要分解者，能夠調節(jié)各種碳輸入和輸出的過程。土地利用變化影響了土壤微生物群落的結構組成，而微生物群落結構的改變又反過來影響了生態(tài)系統(tǒng)的過程和功能。了解土地利用變化對微生物群落結構的影響對了解全球碳循環(huán)過程的影響具有重要意義。

中國科學院武漢植物園土壤生態(tài)學課題組研究員程曉莉與新西蘭草地農業(yè)研究所合作，以新西蘭牧場的長期(13年)FACE實驗為對象，系統(tǒng)研究了新西蘭牧場兩種常見植物Agrostiscapillaris和Loliumperenne的根際碳氮循環(huán)過程。研究結果表明，大氣CO2加富處理能促進L.perenne植物生長，但對A.capillaris植物生長具有抑制效應。大氣CO2加富處理對兩種植物根際的土壤有機碳、全氮以及凈的氮礦化和硝化速率均有顯著的促進效應。然而，微生物碳對大氣CO2加富處理的響應在兩種植物根際內則不同，表現(xiàn)為在L.perenne植物根際增加而在A.capillaris植物根際減少，表明在大氣CO2加富背景下A.capillaris植物根際更有利于土壤有機碳積累。另外，大氣CO2加富處理對根際硝態(tài)氮影響不大，但顯著增加A.capillaris植物根際的氨態(tài)氮。氨態(tài)氮濃度增加可能會在不久的將來刺激A.capillaris植物生長，導致新西蘭牧場植物組成發(fā)生改變。該研究可以為當?shù)卣谌蜃兓尘跋麻_展合理的牧場管理工作提供可靠的科學依據(jù)和借鑒。

武漢植物園博士生張倩在導師程曉莉的指導下，研究了湖北省丹江口庫區(qū)造林對土壤微生物群落結構以及微生物生物量的影響。結果發(fā)現(xiàn)造林地(森林和灌叢)的總磷脂脂肪酸量及細菌、真菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、放線菌、叢枝菌根真菌磷脂脂肪酸量高于農田和荒地，且不同土地利用類型中各微生物磷脂脂肪酸量大部分呈現(xiàn)表層高于深層的趨勢。冗余分析和Pearson相關分析結果表明土壤微生物群落結構的變化與土壤含水量、pH、土壤溫度和土壤有機碳以及有機氮化學分餾各組分(主要包括總有機碳、總有機氮、易變碳、易變氮、惰性碳和惰性氮)具有密切的關系。其中土壤總有機碳和易變碳與不同土地利用類型下土壤微生物群落結構組成呈不同顯著相關。造林同時增加了土壤基礎微生物呼吸，但是造林地每單位磷脂脂肪酸釋放的二氧化碳含量卻顯著低于農田和荒地，表明造林地能夠增加儲存更多的二氧化碳于土壤有機碳庫中。因此，從長遠來看，研究土地利用變化對土壤碳儲存以及減少二氧化碳的排放具有重要的意義。

該研究得到國家自然科學基金(31470557,31270550,31130010)和中科院戰(zhàn)略先導專項B(XDB15010200)的資助，相關結果分別發(fā)表在《農業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境》(Agriculture,EcosystemsandEnvironment)和《科學報告》(Scientificreports)國際學術期刊上。

圖1.大氣CO2加富處理對植物生長和養(yǎng)分的影響

圖2.不同土地利用方式土壤真菌、細菌和總磷脂脂肪酸量及真菌/細菌比(W表示森林;S表示灌叢;C表示農田;U表示荒地)