黄土高原土壤固碳微生物及其对土壤有机碳积累的贡献

Soil organic carbon (C) in the Chinese Loess Plateau has been improving since the implement of Grain for Green Project (reverting farmland to forest or grassland). Especially, in the initial stage of farmland’s conversion, rapid soil C accumulation could be related to the C-assimilation process from CO2-fixation microorganisms (CFM). At presentation, the study of CFM on the Loess Plateau is still in primary stage. This project will collect biological soil crust samples of different successional stages from various rainfall gradients, and the number of CFM will be quantified by C functional genes (cbbL and cbbM), fluorescence quantitative PCR (qPCR) and clone library, and the community structure of CFM will be determined by T-RFLP technology and high-throughput sequencing. The main focuses of the project are: (1) to analyze the potential of C-fixation by RubisCO enzyme and isotope (13CO2) marker; (2) to explore C stabilization mechanism via microbial isotope-labeling culture and microbial markers (PLFAs and amino sugars). Our aims are: to clarify the geographical distribution characteristics of CFM and C-fixation potential; to further reveal the key factors affecting CFM; to illustrate the contribution of assimilated-C from CFM to soil organic carbon accumulation on the Loess Plateau. The results will enrich the theory of microbial activity in soil organic C fixation, and provide theoretical support for the recovery of vegetation on the Loess Plateau and its interacting mechanism with soil organic carbon.

自退耕还林（草）实施以来黄土高原土壤有机碳逐渐增加，尤其在退耕初期增加较快，固碳微生物同化碳可能是土壤有机碳快速积累原因之一，目前对黄土高原土壤固碳微生物研究尚处于起步阶段。本课题采集不同降雨梯度、不同演替阶段生物土壤结皮样品，通过固碳功能基因(cbbL和cbbM)与荧光定量PCR(qPCR)、克隆文库以及T-RFLP技术和高通量测序等方法研究土壤固碳微生物数量与群落结构；通过RubisCO酶和同位素（13CO2）标记，确定固碳微生物固碳潜力；通过同位素标记培养与微生物标记物（PLFAs和氨基糖）方法，探讨固碳微生物同化新碳在土壤中的稳定机制。明确黄土高原土壤固碳微生物群落及其固碳潜力的地理分布特征；揭示影响固碳微生物的关键因子；阐明固碳微生物同化碳对黄土高原土壤有机碳积累贡献。研究结果将丰富土壤有机碳固定的微生物作用理论，为黄土高原植被恢复与土壤有机碳相互作用机制提供理论支撑。

退耕还林（草）实施以来黄土高原土壤有机碳逐渐增加，固碳微生物同化碳的合成是土壤有机碳快速积累原因之一，控制土壤中微生物固定二氧化碳的潜在途径的因素尚不清楚。本研究采集沿降雨梯度的植被类型土壤、不同演替阶段生物土壤结皮样品，通过固碳功能基因(cbbL和cbbM)与宏基因组测序（Metagenome）、同位素（13CO2）标记、微生物标记物（氨基糖）等方法研究土壤固碳微生物的地理分布格局、群落组成、代谢途径、确定固碳微生物固碳潜力及固碳微生物同化新碳在土壤中的稳定机制。主要结果（1）黄土高原不同植被区土壤固碳微生物类群主要以变形菌和放线菌为主、植被类型、降水变化对优势类群的组成影响很大；生物结皮层微生物的多样性指数随演替阶段的增加而增加，主要以放线菌、蓝细菌为主。（2）通过宏基因组分析，我们几乎确定了固碳微生物的8种CO2固定途径:包括柠檬酸还原循环(rTCA)、二羧酸-羟丁酸循环(DC/4-HB)、磷酸戊糖还原循环(Calvin)、3-羟丙酸循环(3-HP)、3-羟丙酸/4-羟丁酸循环(3-HP/4-HB)、C4-二羧酸循环、CAM循环和乙酰辅酶a还原途径(Wood-Ljungdahl途径)。（3）自然降水梯度不同植被类型下表层土壤固碳微生物碳固定速率在8.1~34 mg C m-2 d-1范围内。生物土壤结皮土壤固碳微生物碳同化潜力随演替呈现增加趋势，结皮土壤固碳微生物碳同化速率显著高于裸沙2-15倍；结皮土壤微生物残体物质对SOC的贡献（~25%）低于完全发育的土壤（33%-60%）。（4）固碳微生物的代谢途径决定了沿降水梯度不同植被类型土壤固碳速率的变化。rTCA和3-HP途径与年平均降水量高(400 ~ 600 mm)的土壤有机质中13C的掺入密切相关，而Calvin循环在降水量<400 mm条件的土壤中起重要作用。此外，年平均降水量、地理距离、可溶性N对固碳微生物群落组成有显著影响，调控固碳微生物的固碳潜力。研究结果对丰富土壤有机碳形成过程中固碳微生物的作用途径和机理的认识、完善和补充土壤碳循环理论，更加准确认识和评价土壤的“碳汇”功能、调控和增加有机碳封存，从而缓解全球气候变化和实现碳中和目标具有重要的科学和现实意义。