杉木林土壤微生物分解有机质功能对氮磷的响应机制

Soil microorganism is the driver of soil organic matter decomposition. With the increase of atmospheric nitrogen (N) deposition, soil acidity and phosphorus (P) limitation problems in Chinese fir ecosystems are worse in red soil area of southern China. However, it is not clear how microbial functions of soil organic matter decomposition respond to N and P additions in subtropical plantations till now. In this proposal, the Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) ecosystem is selected in the Qianyanzhou Forest Experimental Station, in Jiangxi Province, South China (26°44′52″N, 115°04′13″E). Six different treatments as follows: control (CK), low N addition (N1: 50 kg N ha-1 a-1), high N addition (N2: 100 kg N ha-1 a-1), P addition (P: 50 kg P ha-1 a-1), low N and P addition (N1+P: 50 kg N ha-1 a-1+50 kg P ha-1 a-1) and high N and P addition (N2+P: 100 kg N ha-1 a-1+50 kg P ha-1 a-1) were established in 2011. Soil organic matter decomposition enzyme activities, their kinetics, functional gene abundance and microbial diversity of the field samples will be analyzed using enzyme kinetics, molecular biology techniques. Temperature sensitivity of soil organic carbon decomposition and their enzyme kinetics of the field samples will also be analyzed in different temperature incubation chamber in laboratory. The effect mechanism of N and P addition on soil organic matter decomposition will be evaluated. The research results will help to predict the microbial mechanism of soil organic matter decomposition under increasing atmospheric N deposition conditions. Furthermore, it will also help to make reasonable practices for Chinese fir plantations management in the future N deposition conditions.

土壤微生物是土壤有机质（SOM）分解的驱动者，随着大气氮（N）沉降增加，南方森林土壤酸化、磷（P）限制作用更加明显，这些环境因子改变对微生物分解SOM功能影响机制还不清楚。本研究选择亚热带杉木林，2011年建成长期定位控制试验，设置对照（CK）、模拟N沉降（N1、N2：50、100 kg N ha-1 a-1）、外源P输入(P，50 kg P ha-1 a-1)、NP同时输入(N1P、N2P：50或100 kg N ha-1 a-1+50 kg P ha-1 a-1)处理，结合室内不同温度梯度培养试验，利用酶动力学、分子生物学技术，探讨SOM分解关键微生物酶活性、功能基因丰度与种群多样性、以及SOM矿化对N、P响应机制。研究结果可为预测未来大气N沉降增加背景下微生物分解SOM的功能提供数据支持，为制订杉木林管理措施提供科学依据。

土壤微生物是土壤有机质（SOM）分解的驱动者，亚热带大气氮（N）沉降加剧土壤磷（P）限制，氮磷（NP）添加对微生物分解SOM功能影响机制还不清楚。本研究利用2011年建成的亚热带杉木林控制试验，设置对照（CK）、N（N1、N2：50、100 kg N ha-1 a-1）、P(P，50 kg P ha-1 a-1)、NP (N1P、N2P：50或100 kg N ha-1 a-1+50 kg P ha-1 a-1)处理，结合室内不同温度梯度培养试验，利用酶动力学、分子生物学技术，探讨SOM分解关键微生物酶活性、功能基因丰度与种群多样性、以及SOM矿化对N、P响应机制。. 研究结果表明：1）N添加抑制土壤碳（Cmin）、氮矿化速率(Nmin)，这与氮添加降低土壤pH、抑制β葡萄糖甘酶(βG)和乙酰葡萄糖胺糖苷酶(NAG)的Vmax/Km有关。在10-40℃培养温度范围内，土壤Cmin、Nmin随温度增加而指数上升，但是NP添加对土壤碳氮矿化速率温度敏感性Q10（Cmin）、Q10（Nmin）影响不显著。2）NP添加对不同土层土壤磷酸酶活性(Phos)影响机制不同。P和NP添加抑制了0-10 cm土壤Phos 的Vmax，增加了10-40 cm土壤Phos 的Vmax，对40-80 cm 土壤Phos 的Vmax无影响。3）N、P、NP处理增加了土壤总微生物量，N2P处理中的细菌、真菌和放线菌生物量比CK增加了2.5-4倍。微生物残积碳的含量为N2P＞N1P＞N2＞N1＞P＞CK，微生物残积碳含量与N、P有效性及SOC含量有显著正相关，与pH负相关。4）P添加对氨化、硝化和反硝化功能基因的丰度具有促进作用。与N或P处理相比，NP处理增加氨氧化基因与硝酸根还原酶基因丰度的比值，从而增加潜在硝酸根淋失的风险；与N处理相比，P及NP处理增加亚硝酸根还原酶基因的丰度，从而增加气态氮生成的风险。. 研究结果表明，在杉木林中实施氮磷配施的施肥方式，有利于增加土壤中有机质分解的微生物功能和提高微生物碳的积累，但需注意硝酸根淋失、N2O排放风险。