亚热带杉木林根际土壤是否存在基于“微生物碳泵”的固碳机制？

Refering to microbial carbon pump (MCP) of ocean ecosystem, the new mechanism of soil carbon sequestration mediated by microorganisms was raised and the theory provides the current regulation research of soil carbon with new idea. However, there is still not empirical evidence to apply to soil ecosystem. Based on the theory of MCP, there may be a carbon sequestration in rhizosphere which give the theoretical basis for explaining the unknown source of stable organic carbon in Chinese fir plantations in preliminary study of the proposer. To test the hypothesis, the rhizosphere soil of Chinese fir will be used for the study. Following the procedure of the input of rhizodeposition, the assimilation of microorganisms, the dynamic of the remaining microbial residue and access to stable carbon pool, “Chinese fir - root - soil” pot and field experimence will be designed to study the efficiency of microorganism assimilating and utilizing rhizodeposition-derived carbon by using the techniques of 13C pulse labeling, microbial biomarker and particle-density organic carbon fractionation. The formation of microbial residues contributing to soil carbon pool will be quantified and the abiotic effect of soil aggregates and minerals on stabilizing microbial residues will be discussed. At last, the hypothesis that the process of carbon sequestration occurred in rhizosphere of Chinese fir will be tested. The program will provide great scientific value for revealing the mechanism of soil carbon sequestration in subtropical forest and be of great significance for developping the management measure to regulate microorganisms to exert potential of soil carbon sequestration.

借鉴海洋“微生物碳泵”概念提出的土壤微生物固碳新机制，为土壤碳调控机理研究提供了崭新思路，但缺乏不同土壤生态系统的验证。基于微生物碳泵理论，申请人认为杉木林根际土壤可能存在由微生物介导的固碳机制，为解释杉木人工林土壤发现的未知来源的稳定有机碳提供理论依据。为验证假设，本项目以杉木林根际土壤为研究对象，利用13C脉冲标记技术、微生物标志物技术和颗粒-密度有机碳分组技术，以“根际沉积物输入→微生物同化利用→微生物死亡残存动态→进入稳定碳库”为主线，通过“杉木-根系-土壤”一体的模拟盆栽和野外试验，研究微生物对根际沉积碳的同化效率，量化微生物残体形成对土壤碳库的贡献，探讨土壤团聚体和矿物对微生物残体的非生物稳定作用，最终验证杉木根际是否存在微生物介导的固碳过程。研究结果对揭示亚热带森林土壤固碳机理具有重要科学价值，对制定调控微生物来发挥土壤长期固碳作用措施具有现实意义。

微生物不仅可以调节土壤有机碳的矿化速率，同时可以通过代谢利用、合成等生理途径将植物大分子有机物转化成微生物源残体，微生物残体碳是土壤稳定性碳库的重要构成，其动态变化直接影响了全球碳循环。本项目以相同立地条件不同发育阶段的二代杉木林为研究对象，分析根际土和非根际土理化性质和微生物残体碳的动态变化，借助16S和ITS高通量测序技术研究细菌和真菌群落对发育阶段的响应，探讨影响微生物残体碳积累的关键因子，揭示微生物丰度、组成和结构对亚热带杉木人工林微生物源碳积累的内在调控机制。(1)真菌来源的残体是亚热带杉木人工林土壤碳库的重要来源；(2)不同发育阶段根际土的总氨基糖(TAS), 氨基葡萄糖(GluN), 氨基半乳糖(GlaN)和胞壁酸(MurA)含量均显著高于非根际环境，表现出微生物残体碳的根际富集效应，表明根际不间断的碳源有利于微生物源有机碳的合成；(3)非根际土GluN, GalN, MurA含量及GluN/MurA在不同发育阶段之间均没有显著差异。与提出的假设不同，根际土的微生物源有机碳含量并没有随着林分的发育而增加，反而在20-40 cm土层中TAS及GluN随着林龄的增加而下降；(4)氨基糖与与细菌α多样性和真菌丰度显著相关，与土壤细菌β多样性显著相关，但与真菌β多样性的相关性未达到显著水平，表明杉木人工林细菌群落结构的更替驱动了微生物残体碳积累和消减，而相比群落结构真菌的丰度则与土壤微生物残体的累积更相关；(5)非根际土环境中低丰度的微生物种群在微生物残体形成中扮演重要角色，与氨基糖含量相关的非根际土真菌门类不同于根际土壤环境，表明在根际和非根际环境中微生物残体周转途径的主导真菌分类群是不同的，从根际向非根际转变中，参与微生物残体碳周转的细菌分类群由稀缺转向主导种群；(6)根际土和非根际土微生物源有机碳与大量养分元素含量、C:N:P化学计量比、微生物碳氮来源的DOC,N-NH4+,N-NO3-等土壤化学性质存在极显著的相关性。研究结果证实亚热带杉木人工林根际存在微生物源有机碳富集效应，不同林龄或土壤层次生境下土壤化学性质的差异可能驱动微生物群落动态变化从而间接导致微生物源有机碳改变，可为揭示亚热带森林土壤微生物固碳机理提供了理论依据。