028-8525-3068
新闻动态 News
News 行业新闻

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

日期: 2023-08-14
标签:

文献解读   


原名:Divergent accumulation of microbial necromass and plant lignin components in grassland soils

译名:草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

期刊:Nature Communications

IF:16.6

发表时间:2018

第一作者:Tian Ma

摘要

微生物和植物是如何促进土壤有机碳(SOC)积累的?为此,我们使用氨基糖和木质素酚分别作为微生物坏死物质和植物木质素成分的示踪剂,并与世界其他草原土壤的已发表数据进行比较,研究它们在蒙古草原表层土壤中的分布。在所有考察的草原土壤中,木质素酚类会减少,而氨基糖则会随着 SOC 含量的增加而增加,这为微生物残体在 SOC 积累中的关键作用提供了大陆尺度的证据。此外,与细粒土壤中粘土对氨基糖积累的控制不同,蒙古粗粒土壤中干旱对氨基糖积累和木质素分解起着核心作用。因此,干旱度的变化可能会对不同质地的草原土壤中微生物介导的 SOC 积累产生不同的影响。

研究背景

大部分有机碳的周转是比较缓慢的,从百年到千年。微生物和植物如何促进这些土壤有机碳库的形成和积累,是与土壤碳动态和对全球变化的响应有关的一个基本问题,也是一个备受争议的问。传统上,木质素等植物结构化合物因其化学难降解性和在腐烂废弃物中的积累而被认为是缓慢循环的 SOC 的主要贡献者。然而,越来越多的证据表明,木质素主要作为植物碎屑存在于颗粒中,而不是保存在矿质土壤中,在矿质土壤和老土组分中的含量也相对较少,这表明木质素在 SOC 积累中的作用可能并不像以前认为的那样重要。

目前的共识是,在缓慢循环的 SOC 的积累过程中,微生物产生的碳发挥着更重要的作用。随着植物凋落物的腐烂,土壤微生物会将可用碳转化为微生物残体或微生物加工的化合物以及自身的生物量。由于微生物倾向于附着在表面上,因而微生物残留物会积聚在与矿物质相关的土壤组分上。微生物生物量的周转速度很快,只占 SOC 的很小一部分,然而微生物残体则被认为是相对稳定的 ,并且随着群落的反复更替而在土壤中累积。这一过程包含在海洋研究人者最初提出的微生物碳泵中,也被认为是土壤中有机碳持久存在的关键机制。然而,由于分析工具有限,无法将自然土壤中微生物产生的碳与植物产生的碳区分开来,这一机制至今尚未在景观尺度上得到验证。人们对环境中微生物衍生和植物衍生成分保存的控制或微生物固存 SOC 的最佳条件知之甚少。填补这些知识空白不仅有助于理解 SOC 在全球变化下的周转,还能为开发包含微生物过程的土壤碳模型提供概念指导。

因此,我们利用两种广为接受的生物标记物(即氨基糖和木质素酚)来分别示踪微生物死亡物质和植物木质素组分。我们比较了它们在蒙古草原两个大规模横断面上 38说个重复地点表层土壤(0-10 厘米)中的分布情况(共涉及 113 个氨基酸糖和 39个木质素酚样本),并对不同草地上的典型植被进行了木质素分析。为了补充风化不良、质地粗糙的蒙古土壤的数据集,我们使用类似分析方法测定并进一步汇编了其他地方草原表层土壤(0-10 厘米)中氨基糖和木质素酚的所有已发表数据(包括分别为 54 和 70 个氨基糖和木质素酚浓度数据)。通过类似环境变量的统计分析,我们比较了蒙古草原中这两种生物标志物积累的调节机制,并比较了蒙古粗粒土壤与其他地方细粒草原土壤中环境对氨基糖积累的影响。通过这种方法,我们可以评估草原土壤中微生物坏死物与植物木质素组成的大规模分布和保存情况,其环境梯度范围之大前所未有。总之,我们证明了在所有考察过的草原土壤中,氨基糖而非木质素酚与 SOC 的耦合变化,并强调了与细粒度土壤相比,蒙古粗粒度土壤中干旱对氨基糖累积和木质素分解的关键作用。我们的研究结果为微生物坏死物质在SOC积累中的关键作用提供了概念性证据,并表明在不同质地的草原土壤中,干旱度的变化可能会对微生物介导的 SOC 积累产生不同的影响。

主要结论

1、氨基糖和木质素的分布

在蒙古草原表层土壤中(图1a),氨基糖的归一化浓度为 21-158 mg/g SOC(图1b),其中以氨基葡萄糖为主,这与文献数据中其他地方草地表层土壤中浓度范围类似。相比之下,木质素酚占 SOC 的比例较小(4-60 mg/g SOC;图1c),这也与文献数据一致。值得注意的是,氨基糖和木质素酚在蒙古横断面上的分布模式截然不同(图1b、c)。与其他植被类型的土壤相比,干旱荒漠土壤中木质素酚的浓度更高,而单位SOC中氨基酸糖的含量较低(p < 0.05)。这种差异与不同覆盖地点的植被的化学成分无关,因为在不同植被类型的重叠植物中,单位有机碳的有机碳氮比和木质素含量都没有差异。木质素酚与克拉松木质素的比值从 0.06 到 0.30 不等,在不同植被类型中也没有差异(p > 0.05;图2a)。因此,各横断面木质素大分子中木质素酚的产量具有可比性。此外,木质素酚和氨基糖虽然没有显著的相关性(p > 0.05),可能是由于其他 SOC 成分(如草原土壤中普遍存在的黑碳)的变化造成的,但这两种生物标志物的 SOC 归一化浓度与蒙古草原表层土壤以及所有草地的 SOC 含量显示出相反的相关性(图 3);氨基糖随着木质素酚的增加而增加,但木质素酚的增加与 SOC 含量的增加之间没有显著的相关性(p > 0.05,图 3),氨基糖随 SOC 浓度的增加而增加(n = 91;p < 0.05),木质素酚则随之减少(n = 84;p < 0.05)。

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图1 采样点和生物标志物浓度。(a)蒙古草原采样点的空间分布(b)氨基糖归一化浓度(c)木质素酚浓度

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图2 蒙古草原覆盖植被中木质素的浓度和组成。(a)木质素酚类和克拉森木质素的标准化浓度以及其比值(b)V单体和S单体的比值

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图3 生物标志物浓度与土壤有机碳(SOC)含量的相关性。(a)氨基糖浓度和SOC的相关性 (b)木质素酚浓度和SOC的相关性


木质素降解可通过香草基酚(V)和丁香酚(S)的酸醛比值Ad/Al来进一步评估,通常Ad/Al会随着木质素氧化程度的增加而增加。与蒙古横断面上的其他植被类型相比,草甸草原上覆植物的地上生物量显示出较低的(Ad/Al)s 值,相似的(Ad/Al)v 值(图2b),而所有植被类型的地下生物量具有相似的 Ad/Al比值(p > 0.05)。相比之下,非草甸草原沙漠土壤的(Ad/Al)s 比值低于所有其他土壤(p < 0.05)。此外,在蒙古土壤中,随着 SOC 含量的增加和木质素酚浓度的降低,Ad/Al 比值都会增加(p < 0.05;图 4),这证实了在 SOC含量较低和木质素酚浓度较高的土壤中,木质素氧化阶段较低。

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图4 蒙古草原土壤中木质素的酸醛比值的变化(a)(c) V和S的酸醛比值和SOC的相关性(b)(d)V和S的酸醛比值和木质素酚浓度的相关性


2、环境因子对蒙古土壤的影响

根据结构方程,在整个蒙古草原上,干旱指数而非土壤特性对这两种生物标志物的浓度有直接和主要的影响,分别解释了氨基酸糖19.7% 和木质素酚40.9%  的变化,尽管方向相反(图 5a,b)。随着干旱指数的增加,氨基糖增加(表明干旱程度降低),木质素酚则减少(p < 0.05)。多重逐步回归分析(其中干旱度指数是模型中唯一保留的变量)和偏相关分析证实了干旱度的主要影响:在考虑干旱度指数的影响后,所有变量都不会对两种生物标记物的浓度产生任何影响(p > 0.05)。相反,在考虑了其他变量(除 SOC 和氨基糖的 N 外)的影响后,干旱指数与这两种生物标志物仍有明显的相关性(p < 0.05)。此外,干旱对土壤中木质素酚分布的影响与覆盖植被中的木质素酚丰度无关,后者与干旱指数没有相关性(p > 0.05)。

为了进一步证实干旱对木质素降解的控制作用,我们使用多元逐步回归分析法研究了环境对蒙古土壤中 Ad/Al比值的影响。植物生物量中的(Ad/Al)v 比值与干旱指数呈负相关(p < 0.05),但与土壤中的任何变量都不相关(p > 0.05)。然而,在所有与(Ad/Al)s 比率有显著相关性的变量中(包括干旱指数、地上生物量、SOC 和 N 含量;p < 0.05),干旱指数是唯一最重要的变量,对该比率有正向影响。同样,这种影响与覆盖植被的木质素成分无关,因为植物生物量的(Ad/Al)s 比率与干旱指数没有相关性(p > 0.05)。

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图 5 氨基糖和木质素酚与环境变量的级联关系。(a)环境对蒙古草原氨基糖的主要影响途径(b)环境对蒙古草原木质素酚的主要影响途径 


3、对氨基糖积累的不同控制

与蒙古土壤相比,非蒙古草原表层土壤中的氨基糖只与考察变量(包括土壤 pH 值、SOC 和 N 含量;补充数据 2)中的粘土含量呈正相关(p < 0.05;图 6a),而不受干旱指数的影响(p > 0.05;图 6b)。值得注意的是,蒙古土壤的粘土含量(0.44 ± 0.03%; n = 38)远低于文献(即美国大平和德国的草原)(18.5 ± 1.42%; n = 38)。诚然,我们采用激光衍射法得出的蒙古土壤粘土含量与其他研究的结果相似,但与非蒙古研究采用的筛分离心法相比,往往会低估细颗粒的含量。不过,Evans 等人使用相同的比重计法证实,蒙古草原的土壤比美国大平原的土壤更粗糙(平均粘土含量为 12.5%)(平均粘土含量为 27%)。因此,在质地细腻的土壤中,粘土对氨基糖的保护作用似乎会抑制干旱的影响。

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异

图 6 不同土壤中氨基糖浓度的变化。(a)蒙古草原和非蒙古草原氨基糖和土壤粘土含量Pearson相关性(b)蒙古草原和非蒙古草原氨基糖和干旱指数Pearson相关性(n=38)



# 栢晖 #

—特色检测指标—

土壤、植物酶活检测

氨基糖、木质素PLFA

磷组分、有机酸、有机氮组分

微生物量碳氮磷同位素

其他土壤、植物、水体等常规检测指标均可测定

了解更多检测信息

按区域添加微信咨询详情

文献解读 |草地土壤中微生物残体和植物木质酚积累的差异


  • 最新资讯 MORE+
  • 点击次数: 0
    2026 - 05 - 21
    华南植物园鲁显楷研究员团队在《全球变化生物学》发表最新研究,通过长达20年的野外氮添加试验,发现长期高氮沉降不但未减少热带森林植物地下碳分配,反而驱动植物上调根系分泌物来活化土壤磷,为破解热带森林碳汇维持之谜提供关键机制。 近半个世纪多以来,全球氮沉降持续加剧扰乱了生态系统的氮磷平衡,尤其是在有效磷相对匮乏的热带亚热带地区。基于温带氮限制生态系统的大量经验研究,形成了经典认知:施氮会缓解植物对氮的竞争,从而减少光合产物向地下的分配,尤其降低根系分泌物的释放。然而,这一范式能否直接套用于“富氮”但磷匮乏的热带亚热带森林,长期缺乏实验证据,这成为预测高氮沉降背景下森林碳-磷反馈与生态系统稳定性的关键认知瓶颈。为了破解这一瓶颈,研究团队于2002年在广东鼎湖山国家级自然保护区原始林(季风常绿阔叶林)建立了长期连续氮添加实验样地(4种梯度:0,50,100和150 kg N ha⁻¹ year⁻¹),系统探讨了热带森林植物如何通过调节根系分泌物及其介导的土壤磷动态来适应长期高氮沉降。研究发现,面对长期氮沉降引发的土壤有效氮磷失衡,热带森林植物并未“吝啬”其碳资源,反而进化出了一种积极的适应机制:一是通过提高根系分泌物碳输入速率,激发微生物磷酸酶活性,加速有机磷矿化;二是增强有机酸释放,促进矿物结合态磷的溶解。其中,有机酸途径起主导作用,其驱动的磷释放约为磷酸酶途径的2倍。这些结果表明,持续高氮沉降下,热带森林植物可通过“支付”更多的光合碳产物,换取维持生长所必需的磷,建立起了“根系分泌物-土壤磷活化”的正反馈循环。该研究首次证实热带植物能通过上调根系分泌物释放来适应长期高氮沉降,修正了“氮沉降导致地下碳分配减少”的传统观点。这一发现不仅解释了热带“富氮”森林如何维持高生产力与稳定性,还表明生态系统在面对长期环境压力时可能拥有更复杂的主动适应策略,这对预...
  • 点击次数: 0
    2026 - 05 - 20
    文献信息:原名:Mycorrhizal Type Defines Priming Effects in Organic and Mineral Forest Soils译名:菌根类型调控森林土壤有机层与矿质层的激发效应期刊:Global Change BiologyIF:12.0发表日期:2026年3月第一作者:柳雄辉 中南林业科技大学通讯作者:陈亮教授 中南林业科技大学 背景:森林土壤有机碳是陆地碳库的核心,其周转受微生物激发效应(新鲜碳输入改变原有SOC分解速率)的影响。丛枝菌根(AM)与外生菌根(ECM)树种会形成不同的土壤环境,显著影响碳库分布与稳定性。现有研究已证实菌根类型驱动土壤碳循环差异,但菌根类型如何在不同土壤深度上调控激发效应,目前尚不清楚。 研究目的:明确菌根类型(AM/ECM)如何调控森林土壤激发效应,以及这种调控是否存在土层深度依赖性。当前研究大多仅关注表层土壤,仍不清楚在有机层与矿质层中,菌根如何通过碳库稳定性、氮素有效性、微生物功能基因等途径差异调控激发效应,缺乏菌根类型与土层深度交互作用下土壤激发效应的机制解析。 实验设计:1、采样地点:中国湖南省长沙县大山冲森林公园(28°23′N,113°19′E)。该森林公园是中国东南部典型的亚热带天然林,年均降水量1416 mm,年均气温17.3℃,优势树种林龄约65 年,土壤类型为红色壤土。2、样地设置:根据菌根类型梯度设置27 个样地( 10 m×10 m ),分为三组:外生菌根(ECM)样地、丛枝菌根(AM)样地、混合样地。其中ECM 树种包括:青冈、石栎、马尾松、白栎等;AM 树种包括:日本杜英、香樟、南酸枣、杉木等。3、土壤采样:在每个样地分别采集0-10 cm有机表土和10-30 cm矿质下层土。每个样地设置 5 个采样点:中心 1...
  • 点击次数: 0
    2026 - 04 - 16
    文献信息原名:Continental-scale drivers of soil microbial extracellular polymeric substances译名:大陆尺度下土壤微生物胞外聚合物的驱动因素研究期刊:Nature CommunicationsIF:15.7发表日期:2026.03通讯作者:阮宏华教授作者单位:南京林业大学背景土壤微生物胞外聚合物(EPS)是由微生物分泌的多糖、蛋白质等生物聚合物组成的复杂混合物,在形成土壤团聚体、构建微生物生境以及推动碳循环等方面发挥着重要作用。EPS作为微生物残体的重要组成之一,可能通过促进团聚体形成和矿物-有机物质结合,有助于土壤有机碳的稳定。然而,目前关于EPS在大陆尺度下的分布规律,以及其如何受气候、地质条件和土地利用方式的影响,仍缺乏清晰认识。以往研究多局限于实验室或小范围样点,尚未在大尺度上开展系统性评估。科学问题(1)分布格局:在欧洲气候梯度下,土壤EPS含量的分布规律是什么?土地利用和母岩类型如何影响其分布?(2)碳贡献:EPS碳在土壤有机碳库中占有多大比例?其贡献率受哪些因素调控?(3)生理权衡:微生物分配给EPS的碳比例如何沿环境梯度变化?环境压力(如水分亏缺)如何调整微生物的碳分配策略?研究方法研究团队沿横跨欧洲大陆约5500公里的样带(从地中海延伸至亚北极)设置了92个采样点,采集矿质表层土壤(0–15 cm),覆盖碳酸盐岩、硅酸盐岩和沉积岩三种主要母岩类型,以及林地、草地和农田三种土地利用方式。采用阳离子交换树脂法提取土壤胞外聚合物(EPS),并分别以蒽酮法和改良Lowry法测定EPS多糖与蛋白质含量,结合元素分析估算其碳含量(EPS多糖含碳39.1%,EPS蛋白质含碳50.7%)。同时,通过18O标记法测定微生物生长速率与碳利用效率,利用氨基糖分析评估微生物坏死体碳含量,系统测定了气候(如...
  • 点击次数: 0
    2026 - 04 - 14
    文献信息期刊:Water Research(1区,12.4)作者:Longlong An, Shuqin He, Xin Song, Zicheng Zheng, Tingxuan Li, Le Ha单位:1. 四川农业大学资源学院;2. 四川农业大学林学院;3. 成都栢晖生物科技有限公司;4. 中国农业大学土地科学与技术学院,农业农村部华北耕地保育重点实验室01图文摘要02成果简介近日,四川农业大学资源学院何淑勤、郑子成教授团队在Water Research上发表了题为“Long-term fertilization regimes mitigate dissolved organic matter leaching and alter its chemodiversity in agricultural soil leachate”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2026.125762)。该研究基于长达10年的田间定位试验,结合土柱淋溶实验、光谱分析(EEM-PARAFAC)和超高分辨质谱(FT-ICR MS)技术,系统揭示了长期有机肥与秸秆配施(CFOS)对紫色土坡耕地土壤溶解性有机质(DOM)淋溶行为及化学多样性的调控机制。该研究为通过合理施肥实现“增碳减排”的农业可持续发展提供了坚实的理论依据性。03引言土壤溶解性有机质(DOM)是陆地碳库中最活跃的组分,其淋溶迁移不仅造成土壤碳损失,还可能引发水体污染。长期施肥,尤其是有机肥和秸秆还田,已被证实能显著提升土壤有机碳储量,但其对DOM淋溶的影响却存在争议——部分研究表明有机物料输入会加剧DOM损失,形成“增碳不减碳”的恶性循环。因此,寻找一种既能增加土壤碳库又能抑制DOM淋溶的施肥模式,成为农业可持续发展的迫切需求。西南紫色土区是我国重要的粮食生产基地,土壤贫瘠、降雨集中,DOM淋溶风险高。...
文体活动 MORE+
案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
说明:
2017 - 07 - 17
微信公众号
检测咨询热线
 
地址:四川省成都市成华区龙潭街道成业路7号联东U谷二期7栋10楼
          湖南省长沙市芙蓉区雄天路98号广发隆平创业园2栋6002
官方热线:028 8525 3068
投诉电话:18181920125
传真:+86 0755-2788 8009
Copyright ©2005 - 2013 成都栢晖生物科技有限公司
犀牛云提供企业云服务