杜阿拉生态所土壤有机质积存进度中微生物功效研讨获进展

微生物是土壤有机碳转化的重要参与者,其通过合成代谢作用将有机碳转化为自身细胞组成,待其死亡后以微生物残体形式在土壤中积累。其中,氨基糖是微生物细胞壁的重要组成部分,也是土壤稳定有机碳的重要来源。水稻土作为一种重要的碳汇场所。在淹水条件下,由于水中溶解氧的扩散作用,在水稻土表层形成一层约1cm深的含氧层,其较高的Eh、pH
和含水量,可能造成它与下层的微生物种群、碳和氮的生物地球化学转化过程不同。

土壤微生物驱动亚热带森林演替过程中土壤有机碳的形成和周转,且土壤微生物残留物是土壤有机碳库的重要来源,在长期土壤碳固持方面起重要作用。氨基糖是微生物残留物的生物标识物,其积累和转化特性可以指示微生物对土壤有机质积累的贡献。在亚热带森林演替过程中,地上植被从针叶林转变为阔叶林,不同凋落物质量影响微生物底物利用效率及微生物群落组成,但土壤有机碳积累与微生物碳固持功能之间的长期关联作用目前尚不清楚。

基于此,中国科学院亚热带农业生态研究所研究员苏以荣团队以13C-水稻秸秆为碳源,研究了水稻土0-1cm和1-5cm土层中微生物代谢产物对氮素2SO4)的响应过程。结果表明,添加无机氮能够显著增加0-1cm土层内微生物利用外源碳合成的氨基葡萄糖、氨基半乳糖和胞壁酸的含量,而在1-5cm土层中并没有类似结果。培养前期,微生物利用外源碳合成的氨基糖在1-5cm土层显著高于0-1cm的土层。其原因可能是,氧化层发生了氨氧化作用,使得1-5cm还原层的铵态氮含量高于0-1cm氧化层,而微生物在利用氮素的时候优先利用铵态氮而不是硝态氮,促使还原层氨基糖合成量比氧化层高。总氨基糖中真菌和细菌残留物的比值是12.5-14.6,而利用外源碳的真菌和细菌的残留物比值为1.0-1.7,说明真菌和细菌对外源有机碳分解的贡献相当,而对原有有机碳的转化则以真菌占主导。此项研究指出在水稻土中由于不同层次含氧量不同,造成微生物对碳氮的利用、转化与循环差异,其结果为稻田生态系统微生物残留物固碳的氮素调控提供科学基础。

中国科学院沈阳应用生态研究所物质循环过程研究组选择亚热带森林演替序列下三种林型(早期为马尾松林,中期为针阔混交林和顶级演替为常绿阔叶林),通过测定演替过程中不同深度土壤氨基糖含量及其占土壤有机碳比例变化,评估亚热带森林演替下土壤有机质积累过程中微生物作用。结果发现,在0-40cm土层中土壤有机碳和氨基糖含量及储量均随着森林演替进行逐渐增加,这说明微生物增殖-死亡过程与土壤有机碳固持密切相关。针叶林凋落物相对难分解,使微生物残留物对土壤有机碳的贡献较低。阔叶林树种的引入增加了微生物残留物积累以及土壤有机碳的固持,但从演替早期到中期的过程中氨基糖的积累比有机碳更迅速,这可能意味着微生物残留物形成和积累是有机碳固持的先决条件。由于在结构上真菌残留物较细菌残留物相对更难分解,在演替中期真菌残留物碳占有机碳的比例最高,而在顶级演替阶段细菌残留物碳更易于积累。因此,亚热带森林演替过程中,土壤有机碳的积累过程可能先经过真菌残留物稳定化阶段,而后逐渐转变为细菌残留物积累阶段。鼎湖山森林生态系统以针阔混交林为主,研究推断该地区森林土壤具有较大的固碳潜力;研究首次发现微生物影响有机质的化学组分变化,这对了解亚热带森林演替过程中长期土壤有机碳动力学过程有重要意义。

该项研究近期以Effect of nitrogen fertilization on the fate of rice
residue-C in paddy soil depending on depth: 13C amino sugar analysis

为题发表在土壤学国际期刊Biology and Fertility of
Soils
上。该研究得到了国家重点研发计划 (2016YFD0200106,
2017YFC0505503)、国家自然科学基金(41671298,
41430860)和亚热带生态所青年创新团队项目(2017QNCXTD_GTD)的支持。

相关研究成果以Linkage of microbial residue dynamics with soil organic
carbonaccumulation during subtropical forest
succession
为题,发表在Soil Biologyand
Biochemistry
上。研究得到了中科院战略先导微生物专项、国家自然科学基金面上项目、国家重点基础研发计划以及中科院学术创新团队项目资助。

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