丹江口水库库区土地利用变化背景下土壤碳循环及其关键微生物驱动过程的研究

Soil carbon dynamics following land use change has been considered as the focus problem in the current global change research. How to relate the soil microbial activity to soil carbon cycling is still a difficult problem to be solved. The Danjiangkou Reservoir is a water source area of China's Middle Route of South-to-North Water Transfer Project. However, soil carbon cycling and key microbial mediations for soil carbon dynamics following land use change in the Danjiangkou Reservoir are not fully understood. In this project, we will investigate soil carbon cycling and microbial activity (microbial community and structure, biomass, enzyme, and microbial respiration) following land use changes in the Danjiangkou Reservoir area by using stable isotopes, PLFA and qPCR. We identify mechanisms by vegetation and environmental factors under land use change affect soil carbon cycling by examining litter and root quantity and quality and their carbon isotope in different land use types. Meanwhile, we will investigate soil microbial community structure, and biomass enzyme, microbial respiration and their carbon and nitrogen isotope to explore the mechanisms of microbial activity related to land use change. Furthermore, we will do Regression analysis and Canonical correspondence analysis to identify the relationship between carbon cycling and microbial activity following land use change, and the major controls on microorganisms. This study will provide the scientific theory for terrestrial ecosystem carbon cycling related to global environment change.

土地利用变化背景下土壤碳循环过程是当前全球变化研究中关注的焦点问题，如何使土壤微生物活性与土壤碳循环过程相关联仍是一个亟待解决的难题。本研究选择丹江口水库（南水北调中线工程的水源区）库区典型的土地利用类型（森林，灌丛和农田）为研究对象，利用稳定同位素技术、磷脂脂肪酸方法（PLFA）和实时荧光定量PCR等方法研究土地利用变化背景下土壤碳循环及其关键微生物驱动过程。通过分析研究不同土地利用类型下土壤呼吸和微生物（微生物组成、生物量、酶活性和微生物呼吸）的动态变化，揭示土地利用变化对土壤碳输出和微生物群落与功能的影响机制；通过分析不同土地利用类型下凋落物、土壤有机质和微生物碳氮同位素值，明晰植被和微生物对土壤有机碳形成的影响和贡献；通过分析土壤微生物群落结构和功能各指标与土壤呼吸之间的关系，揭示土壤微生物对土壤碳分解的驱动机制。本项目的实施将为揭示陆地生态系统碳循环对全球变化的响应提供科学依据。

本研究选择丹江口水库（南水北调中线工程的水源区）库区典型的土地利用类型（森林，灌丛和农田）为研究对象，利用稳定同位素技术、磷脂脂肪酸方法（PLFA）等方法研究土地利用变化背景下土壤碳循环及其关键微生物驱动过程。研究结果表明，1)造林显著增加了土壤呼吸产生的CO2通量以及降低了其13C同位素值。土壤呼吸产生的CO2通量与土壤总有机碳，易变碳以及土壤温度呈显著的正相关关系，而释放的CO2的δ13C值与微生物生物量的δ13C值显著正相关。2）所有土地利用类型的土都为甲烷的汇，土地利用类型对甲烷氧化有显著的影响，主要表现为灌丛甲烷氧化速率最高（37.22 μg·m‒2·h‒1），森林次之（27.75 μg·m‒2·h‒1），农田最低（14.34 μg·m‒2·h‒1）。农田过高的无机氮含量抑制了甲烷氧化速率。造林地中，甲烷氧化速率与土壤温度呈正相关关系，与土壤碳氮比呈负相关关系。3）造林地各个团聚体中的微生物生物量高于农田和空白地。同时也发现微生物碳氮同位素与土壤碳氮同位素呈显著的线性相关关系，而微生物较土壤碳氮同位素的富集程度与土壤碳氮比呈现显著的负相关关系。森林土壤微生物碳同位素的富集程度高于其他土地利用类型。4）与裸地和农田相比，还林显著增加了原土中碳水解酶的活性。在还林土壤中，与其他团聚体粒级相比，四种水解酶的活性在>2000 μm大团聚体中总体上活性最低。与裸地和农田相比，还林显著增加了各个团聚体粒级中土壤有机碳的含量。在各土地利用类型中，土壤有机碳的含量随着团聚体粒级的减小而增大。在还林的土壤中，团聚体能通过抑制水解酶的活性而间接增加土壤有机碳含量。5）还林显著增加了各个土壤团聚体中氮含量和氮矿化的酶活性。土壤团聚体中全氮与土壤有机碳及土壤氮矿化酶活性与碳矿化酶活性之间均呈显著的正相关关系。研究结果表明，土壤氮对还林下碳的限制能够通过增加氮矿化酶活性、降低稳定态氮的比例、以及维持稳定C:N酶计量等途径缓解，最终导致还林条件下紧密耦合的土壤氮循环和碳循环。