植物有机碳降解及其对土壤有机质激发效应的微生物学机制研究

作为农田生态系统中最主要的碳输入，植物有机碳在土壤中的微生物转化与耕地质量和温室气体排放紧密相关，是陆地表面碳循环的关键过程。植物有机碳在土壤中的转化包括植物有机碳自身的降解及其对土壤原有有机碳降解的激发效应，关于两者的原位微生物转化机制研究很少。本项目以玉米秸秆在东北黑土中的微生物转化为研究对象，利用稳定同位素探针技术（13C-RNA-SIP），从16S/18S RNA和功能基因两个方面，鉴定参与玉米秸秆降解及其激发效应的关键微生物种类；同时，充分利用实时定量PCR和T-RFLP等现代微生物分子生态学方法的优点，有针对性地研究这些关键微生物的群落特征及其演替规律，并探讨它们与群落功能的关系。本项目将明确参与土壤有机碳转化过程的一些目前未知的微生物种类，对加深理解黑土碳循环具有重要意义，而且将为其它区域的相关研究提供理论和技术参考。

本项目针对秸秆在土壤中的降解及其对土壤有机碳降解的激发效应的原位微生物转化机制研究很少的现状，利用稳定同位素探针技术，研究了玉米秸秆在东北黑土中的微生物转化，取得如下研究成果：.1.设计了适合玉米长期生长的标记装置，制备了13C丰度为60%的玉米秸秆，建立了13C玉米秸秆稳定同位素探针技术；.2.明确了13C标记秸秆在黑土中的降解及其对土壤有机质降解的激发效应强度，发现玉米秸秆降解对土壤有机质降解的激发效应为土壤呼吸的5.5%-11%，且随时间推移逐渐减小；.3.采用稳定同位素探针技术，鉴定了降解玉米秸秆的活性微生物。降解前期活性细菌主要为放线菌门的Streptomyces和Arthrobacter、芽单胞菌门的Gemmatimona、变形菌门的Rhizobium、Ochrobactrum、Beggiatoa和Polyangiaceae；玉米降解中后期的活性细菌主要为酸杆菌门的Gp6、放线菌门中的Glycomyces、变形菌门的Geminicoccus、Thioflavicoccus、Beggiatoa和Lysobacter等；降解玉米秸秆的活性真菌主要为子囊菌门的散囊菌纲（Sordariomycetes）真菌，降解前期包括Schizothecium fimbriatum和Chaetomium sp. TR160，降解中后期包括Humicola grisea、Chaetomium sp. TR160和Fusarium lateritium等。.4.结合稳定同位素探针技术和碳降解功能基因分析，发现降解玉米秸秆的活性微生物为子囊菌门真菌的Chaetomium和Pleosporaceae。.5.探索了激发效应的微生物机制。发现部分微生物同时存在于轻重组分中，典型的有Chaetomium sp. 15002、Humicola grisea var. grisea、Chaetomium sp. TR160和Fusarium oxysporum，这些微生物同时利用秸秆和土壤有机质，当添加秸秆时生长加速，激发加速土壤有机质降解。激发效应随时间减弱可能与这类微生物种类减少有关；.迄今，本项目已发表论文4篇，其中1篇SCI论文发表在土壤学科排名第一的Soil Boil Biochem，预计还将发表1-2篇SCI论文。这些结果为加深入理解黑土碳循环提供了科学参考。