农田黑土微生物群落功能及生化特性对冻融作用的响应

As an abiotic factor, freezing-thawing can affect soil microbial activities by changing the structures of soil and hydrothermal conditions, and thus significantly influence the stability of soil ecosystem. In late autumn and early spring, the freezing-thawing is greatly intensive in the northeast regions of black soil. In the aspect of soil biology, studying microbial communities and biochemical characteristics in soil is of great importance to gain a further understanding of the biological function of soil microbes in C and N cyclings in soil ecosystem under the impact of freezing-thawing. In this study, with five black soil farmlands differing in soil organic matter contents, we will investigate the influence of freezing-thawing on biochemical characteristics of soil microbes, microbial community structures and function diversities and turnover of soil organic matter by using traditional and modern technologies such as PLFA, DGGE, and Biolog. The study may make the following achievements on (1) clarifying the mechanism on the response of soil microbial community structure and function to freezing-thawing in black soil farmlands; (2) explaining the function of soil microbes on the turnover of soil organic C under the condition of freezing-thawing; (3) illuminating the effect of functional microbes in soil fertility formation under freezing-thawing. The findings of this research will further improve the mechanism on circulation of materials in freezing-thawing regions of black soil and provide a theoretical reference for the improvement of the potential productivity in black soil farmland.

冻融交替是作用于土壤的非生物应力，会通过改变土壤结构和水热状况影响土壤微生物活性，进而对土壤生态系统的稳定性产生重要影响。东北黑土区在秋末初春季节土壤冻融强烈，从土壤生物学角度入手，开展冻融作用下黑土微生物群落及生化特性的研究，将对深入了解冻融作用下土壤微生物对土壤生态系统碳、氮循环的生物驱动作用具有重要意义。本研究以黑土样带梯度上5种有机质含量的农田黑土为研究对象，综合运用传统技术和PLFA、DGGE、Biolog等新技术，研究空间移位后冻融作用下农田黑土微生物生化特性、群落结构、功能多样性及对土壤有机碳转化的影响，研究结果将（1）明确农田黑土微生物群落结构功能对冻融作用的响应机制；（2）揭示冻融作用下土壤微生物对土壤有机碳转化的驱动作用；（3）阐明冻融作用下功能微生物对土壤肥力形成作用，研究成果有助于从理论上进一步完善黑土冻融区物质循环机理，为提高农田黑土生产潜力提供重要理论依据。

东北黑土区地处中高纬度，是粮食生产受气候变化影响的敏感区。该区秋末和春初形成显著的、长期的冻融交替作用，冻融作用势必会直接、间接的影响土壤微生物活性以及由微生物所调控的多个土壤过程，因此要揭示黑土冻融区农田土壤生态系统养分循环过程就必须考虑冻融作用的影响。本研究以中国科学院海伦农业生态实验站以及德惠的黑土试验基地的土壤空间移位长期定位试验为平台，在两种施肥水平，两个维度气候条件下，从土壤生物学角度入手，开展冻融作用下黑土微生物群落及生化特性的研究，对深入了解冻融作用下土壤微生物对土壤生态系统碳、氮循环的生物驱动作用具有重要意义。经过4年的试验研究，本项目以黑土样带梯度上5种有机质含量的农田黑土为研究对象，综合运用传统技术和高通量测序等新技术，研究空间移位后冻融作用下农田黑土微生物生化特性、群落结构、功能多样性及对土壤有机碳转化的影响，研究结果表明：（1）各有机质含量农田黑土中，土壤细菌数量均呈现出由初冻期进入深冻期后骤降，在融冻期逐渐升高，融化期达到最高，但氨氧化细菌数量在冻融过程中无显著变化；（2）长期不同冻融强度下，各有机质含量农田黑土中细菌与真菌多样性差异不大，但细菌与真菌的群落结构因冻融强度和有机质含量发生了明显的变化；（3）土壤蔗糖酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶活性在冻融过程关键期内发生显著的变化，并且在不同有机质含量农田黑土中的变幅与变化趋势不同；（4）活性有机碳碳含量对冻融作用响应敏感，在融化期各活性有机碳组分含量明显升高，同时，融化期>0.25mm水稳性团聚体含量也明显增多；（5）有机质含量和施肥对农田黑土中真菌与细菌的相对丰度影响不大，但有机质、富里酸、全氮、施肥是导致不同有机质含量农田黑土中微生物群落组成差异的重要因素。研究成果有助于从理论上进一步完善黑土冻融区物质循环机理，为提高农田黑土生产潜力提供重要理论依据。