黑土生态恢复过程中氨基糖变化特征的研究

Amino sugars have been used as the most important indicators for the presence of microbial residues in soil, and they are significant in turnover of microbial-derived soil organic matter and nutrient cycling as indicated by accumulation of microorganisms. Responses of amino sugars to cropland revegetation are innovative ways to understand the synthesis and degradation of soil organic matter. The aim of this study was to identify the effect of cropland revegetation on the dynamics of microbial residues using a 33-year-old restoration trail in a Chinese Mollisol. According to the quantity and composition of amino sugars, this work may contribute to our understanding of how long-term cropland revegetation influence microbial-derived residues and their contribution to soil organic matter under temperate conditions. Further, in combination with the size distribution of soil aggregates, the study provides information on the protection and stabilization mechanism of amino sugars in soil aggregates. This project may help to a better understanding of the mechanism of cropland quality restoration mediated by soil microorganisms, which is of great significance to realize the sustainable agriculture in northeast China.

作为土壤微生物来源物质的定量指标和重要标识物，氨基糖经过微生物周而复始的生长-代谢-死亡的循环过程，不断地在土壤中积累，其数量和组成对评价土壤有机质转化和积累的微生物作用过程具有独特的意义和价值。开展土壤自然生态恢复过程中氨基糖动态的研究可为深入认识土壤有机质合成和降解历程提供新的研究思路和信息。本项目以原始属性完全一致的东北黑土为初始土壤，于1985年建立至今已有30多年历史的长期定位试验为研究平台，系统分析耕作土壤向自然土壤转化过程中氨基糖动态的演变规律。利用氨基糖对土壤微生物的长期作用的“记忆效应”，量化生态恢复过程中微生物对土壤有机质积累的贡献，进一步结合土壤团聚体颗粒分级的方法，将氨基糖与土壤空间和结构有效关联起来，阐明微生物对土壤团聚体形成和稳定的相对作用。本研究将为恢复黑土耕地质量提供科学依据，这在实现东北黑土区农业可持续发展战略上具有重要意义。

氨基糖作为土壤微生物细胞壁残留物质，由于其特有的化学性质，在土壤中得到不断积累，常被用来评价微生物对土壤有机质积累和转化的贡献。土壤生态系统的改变较为复杂地影响着土壤有机碳矿化和氨基糖含量，但目前关于这些方面的问题了解并不深入。本项目以氨基糖动态和组成为切入点，依托黑土生态恢复的长期定位试验，比较草地、农田和裸地生态系统微生物来源的氨基糖时空演变规律，希望通过长期的黑土恢复重建过程，反演解析黑土质量退化机理。研究结果表明，随生态恢复年限的增加，化肥配施有机肥农田（ALMF）和草地（GL）处理土壤有机碳和全氮含量较初始呈显著增加趋势，而无肥农田（AL）、施用化肥农田（ALF）和裸地（BL）处理则表现相反。至15年以后，与AL和BL处理相比，ALMF处理有机碳和全氮含量平均增加了59.5%和69.7%，GL处理增加了28.2%和26.6%，ALF处理增加了3.7%和0.3%。氨基糖变化与SOC含量表现相似，其中ALMF和GL处理最高，BL和AL下最低。与AL和ALF处理相比，ALMF土壤氨基糖总量分别增加了41.5%和31.9%，而ALF和AL处理间氨基酸糖含量无明显变化。ALMF和GL处理氨基葡萄糖含量分别较初始提高了40.6%和14.8%，AL、ALF和BL处理则分别降低了31.3%、19.5%和20.8%；ALMF和GL处理胞壁酸含量分别较初始提高了108.9%和14.7%，AL、ALF和BL处理则分别降低了27.7%、10.6%和21.4%。有机质投入是驱动土壤中氨基糖变化的主要因素，BL、AL和ALF处理促使土壤中氨基糖含量显著降低，有效碳源的缺乏造成氨基糖的大量分解，作为部分碳源维持土壤微生物机体代谢。此项研究结果明确了耕作黑土向自然黑土转化过程中氨基糖含量的演变规律，揭示了微生物对土壤有机碳循环的调控机制，并追溯了微生物对土壤有机碳合成和降解历程，为黑土质量恢复和可持续发展提供理论依据。