冰川退缩迹地成土过程中土壤有机磷的矿化及其关键机理

基本信息
批准号:41877011
项目类别:面上项目
资助金额:61.00
负责人:周俊
学科分类:
依托单位:中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:孙宏洋,蒋豪,何晓丽,祝贺,何清清,钟志淋
关键词:
土壤发育同位素技术土壤地球化学土壤演化序列成土因素
结项摘要

The content of inorganic phosphorus (P) decreases and organic P increases with soil development. The mineralization of organic P becomes an important source of bioavailable P for natural ecosystems. However, knowledge about rate and mechanisms of mineralization of organic P during pedogenesis is still scarce. This proposed project will investigate the processes of mineralization of soil organic P in the Hailuogou Glacier chronosequence, Mount Gongga. Specifically, the rate of organic P and its variations will be measured by 33-P isotope dilution technique in four selected sites with different exposure age (60, 128, 580 and 1500 year-old) in the chronosequence. The contribution of inorganic P from mineralization of organic P to bioavailable P pool in soil will be evaluated. The effects of soil properties and plants on the mineralization of organic P will be investigated by combining results of an incubation experiment and in situ observation. The role of microorganisms in mineralization of organic P will be revealed at the gene level by functional gene microarray and enzyme activities. The direct and/or indirect effects of various abiotic and biotic factors on mineralization of organic P will be quantified by using structural equation models. The results of this project will be helpful to understand the mechanisms of biogeochemical cycling of P during the pedogenesis and relationship between cycling of nutrients and plant succession.

成土过程中土壤无机磷(Pi)逐渐减少,有机磷(Po)逐渐积累,Po矿化释放的Pi因而成为自然生态系统有效P的重要来源。然而,目前仍不清楚成土过程中Po矿化的速率和关键机理。本项目拟利用贡嘎山冰川退缩迹地土壤年代序列,在前期Po形态研究的基础上,开展原位监测和室内培养实验,采用33-P同位素稀释技术,定量解析Po矿化速率及其随成土过程的变化特征,评估Po矿化对土壤有效P库的贡献;结合Po矿化速率实验,开展有机酸添加实验,同时对比分析根际与非根际土中有机酸及Po的异同,明确成土作用和有机酸对Po矿化的影响;利用酶活性和微生物功能基因芯片等技术,从基因水平上阐明微生物对Po矿化的作用机理;利用结构方程模型定量解析多种环境和生物因素对Po矿化速率的直接或间接影响,揭示成土过程中Po矿化的关键机理。研究成果既有利于阐明成土过程中P的生物地球化学循环机制,也有助于揭示养分循环与植被演替之间的关系。

项目摘要

基于贡嘎山东坡海螺沟冰川退缩迹地土壤年代序列,原位观测与室内培养实验相结合,利用31P核磁共振、功能基因芯片和酶学等技术,查明了成土过程中土壤有机磷(Po)的矿化速率,发现土壤Po净矿化速率随土壤年龄的增加呈上升趋势,由60年样点的54 mg P·m-2·a-1逐渐上升至1460年的902 mg P·m-2·a-1;60–130年样点,Po矿化速率为有效磷库的36–49%,540–1460年样点,Po矿化速率为有效磷库的1.39–1.93倍。分析了成土作用和植物根系分泌物对土壤Po矿化的影响,发现成土作用导致的粘土矿物的增加抑制了土壤Po的矿化速率,而根系分泌的羧化物提高了Po的矿化速率,但是,二者相互作用对矿化速率的影响还受到底物有效性和酶活性的影响。从基因水平上阐释了微生物活动对Po矿化的作用机理,发现phoC基因和酸性磷酸酶活性随成土年龄逐渐增加,而phoD和碱性磷酸酶活性呈相反趋势;phoC基因占9个P循环功能基因的比例从最初期的约40%增长至最后样点的约90%。揭示了成土过程中土壤Po矿化的关键机理,将海螺沟冰川退缩区土壤Po矿化机理分为两个模式:在中-低速阶段,由于土壤颗粒对Po的吸附能力较为有限,植物根际羧化物对Po的释放作用相对较小;酸性和碱性磷酸酶共同作用是这一阶段土壤Po被矿化的关键机理。在高速阶段,土壤颗粒对Po的吸附能力相对提高,植物根际羧化物对Po的配位交换-释放、酸性磷酸酶对Po的水解是这一阶段土壤Po被矿化的关键机理。提出了原位条件下识别植物活化磷能力的技术方法。共发表同行评议的学术论文8篇,其中SCI论文7篇,联合出版专著1部,申报发明专利1项;其中一篇学术论文获得由Journal of Plant Ecology颁发的首届JPE Best Paper award。研究成果不仅加深了对成土过程中P生物地球化学循环机理的认识,为阐明成土过程的生物学机制提供了案例,而且可为科学合理利用土壤有机磷库提供依据。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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