GCB | 土壤微生物碳泵:從概念認識到實證評估

2021-02-23 生態學者

文獻信息:

Zhu Xuefeng, Jackson Randall D, DeLucia Evan H, Tiedje James M, Liang Chao*. The soil microbial carbon pump: from conceptual insights to empirical assessments. Global Change Biology, 2020, 26(11): 6032-6039. DOI: 10.1111/gcb.15319

摘  要:全球土壤儲碳量巨大,因此有機碳收支的微小變化都會顯著影響大氣碳含量和全球氣候變化。最近提出的土壤微生物碳泵(soil microbial carbon pump, MCP)強調了土壤微生物在有機碳固存中的正效應,其將活性有機碳轉化為較為穩定的合成代謝形式。然而,這一概念尚未得到數據支撐、評估及驗證。本研究利用美國兩大生物質能源研究項目進行的兩個長期田間試驗平臺上微生物殘體生物標誌物氨基糖和有機碳的數據集,通過研究土壤微生物殘體與土壤有機碳(SOC)對土地利用方式的非同步響應來驗證土壤MCP概念。微生物殘體在土壤中優先累積,是多種多年生生物能源作物有機碳累積的主要貢獻者。具體來說,相比於多樣性較低的能源作物,多樣性較高的能源作物能夠提高SOC儲量,且增加的SOC中約有92%來自於微生物殘體;當土地利用方式從一年生能源作物轉變為多年生能源作物種植時,增加的SOC中約有76%來自於微生物殘體。上述結果表明,地上多樣性較高的多年生能源作物種植能夠刺激土壤MCP周轉。鑑於土壤微生物殘體與SOC的結果可以評價微生物同化代謝產物的積累及其對土壤固碳貢獻,本文進而提出了土壤MCP轉化能力(capacity)和效率(efficacy)這兩個概念參數,以期在全球變化背景下,更有效地作為評估土地管理對土壤SOC儲量影響的表徵指標。

Figure 1 Brief illustration of soil organic carbon (C) formation paradigms that demonstrate microbial activity to 「process」 C, in which the evolved understanding highlights microbial ability to produce long‐lasting compounds that accumulate in soil. Arrows represent fluxes among pools. Traditional knowledge of soil C formation focused on partial degradation of plant detritus by microbial catabolism (black lines), as shown in the left‐hand panel. However, there is mounting evidence that microbial anabolism (red lines) also plays an important role—microorganisms can directly transform C into persistent forms via necromass depositions, as shown in the right‐hand panel. The thickness of the arrow representing pathways may vary depending on the ecosystems

Figure 2 Illustration of the changes in microbial necromass carbon (C) and soil organic carbon (SOC). Changes to 100 cm depth under restored perennial grassland communities sown with two levels of plant species richness at the Wisconsin Integrated Cropping Systems Trial (WICST), where the 「additional SOC」 pool under high diversity prairie was comprised of ~92% microbial necromass C (a); after 6 years of alternative bioenergy cropping systems in the University of Illinois Energy Farm (UIEF), where the 「additional SOC」 pool under swichgrass was comprised of ~76% microbial necromass C and under mixed prairie was ~93% (b)

Figure 3 Relative changes in amino sugars (AS) and soil organic carbon (SOC). Relative changes in AS and SOC to 100 cm depth under restored perennial grassland communities sown with two levels of plant species richness at the Wisconsin Integrated Cropping Systems Trial (WICST; a), and alternative bioenergy cropping systems in the University of Illinois Energy Farm (UIEF) after 6 years (b), where the WICST calculates the relative changes between diversity treatments and the UIEF calculates the relative changes between years within each cropping system (see Supplementary File S3 for specific calculations). In (a), HD and LD mean high and low diversity plantings, respectively. In (b), MMS means maize–maize–soybean rotation

相關焦點

  • 土壤微生物碳泵開啟陸地固碳新篇章
    基於該理論體系,研究人員首創了嵌套「土壤微生物碳泵」的碳氮循環概念模型。此模型對於通過調控微生物來源碳,探索使土壤長期發揮固碳作用的管理措施,以及精準描述和解釋微生物代謝在土壤碳固存中的重要性具有顯著的科學價值。從長遠來看,針對該理論體系的深入研究可為優化我國農田地力、發展低碳經濟、增加氣候談判籌碼和提升國際影響力提供嶄新的思路,具有重要戰略意義。
  • 土壤微生物:化作春泥更護花
    有了這麼多的微生物,土壤中的碳、氮、磷和鉀等元素才能不斷循環周轉,為地上植物的生長提供必要的養分。但由於土壤微生物的個體十分小,其死亡後的殘留物常常被忽略。古詩言:落花不是無情物,化作春泥更護花。那麼微生物死亡後的殘留物是否也對土壤健康起著重要作用呢?
  • 土壤微生物:化作春泥更護花
    自荷蘭人安東尼·列文虎克發明了顯微鏡後,人類正式開啟了探索微生物奧秘的徵程。土壤是個巨大的微生物庫,據估算每克土壤中約有108-109個細菌、105-108個放線菌、105-106個真菌以及其他多種微生物(圖1)。有了這麼多的微生物,土壤中的碳、氮、磷和鉀等元素才能不斷循環周轉,為地上植物的生長提供必要的養分。
  • 5000億美元的問題:研究海洋生物碳泵的價值是什麼?
    一項新的研究利用經濟價值進行研究,以提高對生物碳泵的了解並減少海洋碳匯估算的不確定性。海洋在捕獲大氣中的二氧化碳(CO 2)方面發揮著不可估量的作用,每年的吸收量在5到12吉噸(十億噸)之間,由於研究有限,科學家不確定每年海洋到底能捕獲和儲存(或封存)多少碳,或者不確定將來增加的CO 2排放量會如何影響這一過程。
  • GCB | 氣候變暖下的土壤碳損失:來自碳降解酶的新證據
    土壤C庫約為大氣C庫的3到4倍,其微小變化也可能引起大氣中CO2濃度的顯著波動,因此,土壤C儲量對全球變暖的響應會對全球氣候變化趨勢產生較大的影響。然而,儘管近幾十年來進行了大量研究,氣候變暖對土壤C庫的淨影響仍不清楚。幾項短期研究發現,土壤C損失與實驗增溫有關,然而尚不清楚短期實驗的結果是否適用於長期增溫實驗,因此為了進一步預測未來C儲量,我們需要提高對土壤碳動態變化機制的認識。
  • 土壤微生物生物地理學最新綜述
    新研究技術的湧現大幅提升了我們對微生物群落時空分布格局的認識,也加深了有關土壤微生物生態功能的認知。但隨著技術的不斷進步與發展,新研究問題不斷呈現,仍有數方面認知空白亟待填補。本綜述概述了土壤微生物生物地理學研究的最新進展,並著重強調了明確微生物物種的概念,預測全球變化背景下土壤微生物分布模式,以及採用分離培養法來確定微生物功能結構等幾方面研究的重要性。
  • 細說土壤和土壤微生物
    12月5日是世界土壤日(World Soil Day),我們一說到土壤被我們每天都踩在腳底下的土壤,僅僅1釐米厚,就可能要經歷100年到1000年的時光才能形成。它每天直接為全球70億人提供了80%以上的熱量、75%的蛋白質和植物纖維。
  • 土壤微生物群組
    該計劃的目標是研究不同環境中微生物組的功能及其利用前景,涵括人體、土壤、海洋、大氣等環境中的全部微生物個體及其功能,為解決21 世紀人類面臨的農業、能源、環境、海洋和氣候等重大問題提供新的思路和途徑。該計劃首次把微生物研究提高到國家戰略地位,表明微生物組研究已經成為新一輪國際科技革命的戰略高地。
  • 揭示土壤微生物固碳「深度」差異
    近日,中科院亞熱帶農業生態所研究員吳金水團隊對土壤自養微生物的固碳過程研究取得新進展,發現隨土壤深淺變化,固碳效果存在顯著差異,並且隨著表層碳向下傳輸,還可能誘導底部土壤產生固碳連鎖反應
  • 小生命大力量,一本書帶孩子了解土壤中的微生物,認識世界的神奇
    此次飛行過程將歷時7個月,「天問一號」到達火星表面後,將會對火星進行全面探測,包括尋找外星生命,研究火星礦物分布、地質結構、表面形態、水冰分布,以及研究火星的土壤特性等。有些人可能會奇怪為什麼要研究火星的土壤,土壤髒兮兮的,有什麼可研究的呢?其實啊,土壤就像地球的皮膚,在自然界起著至關重要的作用,它維持地表以下以及上方的動植物的生命,還為眾多微生物提供了生存的條件。
  • 土壤微生物裡 也有「超級英雄」
    新知每一克土壤裡就有數十億微生物存在,當土壤裡的空間和營養不足時,微生物們便開啟「適者生存模式」,有的能夠固氮,有的則能降解有機汙染物,幫其他羸弱的微生物存活下去。近日,科技日報記者從南京農業大學獲悉,國際著名綜合性期刊《Nature Communications》在線發表了該校資源與環境科學學院土壤微生物與有機肥團隊,有關土壤微生物群落裝配和生態功能影響機制的研究成果。由於土壤微生物的種類複雜,又難於培養,長期以來,人類對土壤微生物的多樣性及其生態功能認識不深,只能用「黑箱」來概括。
  • 鹹海岸上土壤微生物與植物內生菌對土壤地球化學響應差異及原因
    伴隨鹹海湖面退縮,乾涸的湖床出露地表,被逐漸風化為土壤,形成廣泛的現代環境參數梯度(如鹽度),鹹海是研究湖岸生態組響應湖域退縮的理想場所。目前,對於湖泊持續乾涸導致岸上土壤中微生物如何隨土壤地球化學和礦物學演化而變化的研究較為有限。
  • 土壤微生物生物地理學研究進展
    隨著分子生物學技術在微生物生態學研究中的應用,近年來發現土壤微生物群落結構和多樣性同樣具有一定的地理分布格局,顛覆了人們傳統上對於微生物全球性隨機分布的認識。這些研究證明了微生物的分布在空間上是非隨機的,卻仍沒有回答微生物的這種非隨機分布是如何產生和維持的,即哪些因子驅動了微生物多樣性的空間分布特徵。
  • 科學網—土壤微生物群落裝配「黑箱」被打開
    本報訊(記者李晨)由於土壤微生物的複雜性和難培養性,長期以來,人類對土壤微生物多樣性如何影響群落生態功能的認識不深,只能用
  • 奇妙的土壤微生物
    與以上幾種菌類不同的是,它更適於在鹼性環境下發揮作用,一般說來,酸性的土壤中多以放線菌和黴菌起作用,鹼性土壤中就主要靠這些藻類微生物來維持輔助作用了。土壤微生物的作用及調節土壤中微生物的種類較多,有細菌、真菌、放線菌、藻類 和原生動物等。數量也很大,l克土壤中就有幾億到幾百億個。
  • 揭示森林土壤微生物多樣性調控機制
    清華大學等揭示森林土壤微生物多樣性調控機制來源:中國科學報 2016-7-11 彭科峰  日前,清華大學環境學院周集中研究團隊與中科院生態環境研究中心鄧曄研究員等學者合作,發現了全球氣候變暖背景下森林土壤微生物多樣性受溫度調控的規律。相關成果發布於《自然—通訊》。
  • 土壤的生命核心是微生物
    所謂土壤微生物,主要指的是生活在土壤中的細菌、真菌、放線菌、藻類的總稱,它們是土壤不可或缺的重要組成部分。 這些細小到肉眼看不到的微生物,是土壤生物肥力的核心,也是土壤生命的重要「調控者」。
  • 微生物燃料電池在土壤修復中的應用與前景
    通過文獻調研方法,系統論述了國內外微生物燃料電池在環境汙染治理方面的研究及應用情況,分別從重金屬汙染、有機汙染、非重金屬無機汙染等方面論述了微生物燃料電池在土壤修複方面的應用,並且從電極材料、大小、間距、排列方式、外阻和土壤性質等方面闡述其影響因素,最後探討了微生物燃料電池的應用前景和不足之處。
  • 科學家打開土壤微生物群落裝配「黑箱」—新聞—科學網
    由於土壤微生物的複雜性和難培養性,長期以來,人類對土壤微生物多樣性如何影響群落生態功能的認識不深,只能用「黑箱」來概括。