杉木林土壤微生物残体分解对氮磷肥的响应机理

Growing evidences demonstrate that soil microbial necromass represents a significant component of soil organic matter (SOM). As a key process of SOM accumulation in soils, decomposition of soil microbial necromass depends on its duration in soils, and is important to improve SOM and productivity in plantation forests. However, the decomposition of specific microbial groups and their responses to fertilizers are still not clear. These knowledge gaps greatly limit our ability to controlling microbial necromass accumulation with nutrient management, and subsequently increasing SOM accumulation in forest ecosystem. Thus, this project will address these key issues in a severely degraded Chinese fir plantation using biomarkers, 13C-labeled phospholipid fatty acid and high-throughput sequencing techniques. In this experiment, we will investigate the decomposition dynamics of fungal necromass, bacterial necromass and their mixture in soils collected from long-term nitrogen and phosphorous fertilizers plots. We will explore the decomposition rates of microbial necromass, and reveal the mechanisms of effect of N and P fertilizers on microbial necromass decomposition by analyzing soil physicochemical and microbial properties using structural equation modeling. The findings from the project will provide fundamental basis for promoting microbial necromass accumulation and increasing SOM in plantation forests.

日益增多的研究表明，微生物残体是土壤有机质的重要组成部分。作为土壤有机质积累的关键过程，微生物残体的分解关系到其能否在土壤中长期驻留，这对提升林地土壤有机质乃至生产力至关重要。然而，不同类群微生物残体的分解及其对施肥的响应机理仍不清楚，极大地限制了通过养分管理来调控微生物残体的积累，实现林地土壤有机质的提升。因此，本项目以地力衰退较严重的杉木人工林为研究对象，依托长期氮磷肥试验，结合室内培养，采用生物标志物、13C-PLFA、DNA高通量测序等技术，研究13C标记的真菌、细菌残体及其混合物分别在不同施肥处理的土壤中的分解过程，阐明施肥对不同类群微生物残体分解的影响，结合土壤理化性质和微生物群落结构、关键酶活性等指标，解析不同施肥条件下微生物残体分解的关键影响因子，揭示氮磷肥对残体分解影响差异的微生物机理，以期为通过养分管理来促进微生物残体在土壤中的积累、提升人工林土壤有机质提供理论支撑。

微生物残体是土壤有机质的重要组成部分，了解其积累、分布和分解过程对提升林地土壤有机质乃至生产力至关重要。施氮磷肥是常用的提高土壤有机质的营林措施。然而，微生物残体积累、分布和分解对施肥的响应机理仍不清楚，极大地限制了通过养分管理来调控微生物残体的积累，实现林地土壤有机质的提升，特别是地力衰退较严重的杉木人工林。项目研究结果表明，尽管施肥并未影响全土中的微生物残体积累以及其对土壤有机碳的贡献，但是磷肥导致大团聚体内真菌残体和微团聚体内的真菌残体/细菌残体分别增加了 19.3% 和 27.8%。与其他处理相比，氮磷肥共同施用下小团聚体内的真菌残体含量最高。同时，氮磷肥共同施用导致大团聚体中的总微生物残体、细菌残体和真菌残体分布降低，但促进小团聚体内的总微生物残体和真菌残体分布。结构方程模型揭示氮磷肥对微生物残体团聚体分布的影响主要归咎于氮磷肥对根生物量的抑制程度最大，从而导致团聚体裂解，进而间接影响真菌残体在大团聚体和微团聚体中的分布特征。同时不同施肥处理下团聚体微生物类群与根生物量的正相关关系说明氮磷肥导致了微生物的碳限制是微生物类群降低的主要原因。这一结果在微生物残体分解实验中再次得到了证实。研究发现，氮肥显著促进了微生物残体活性库的分解速率常数，而这种促进作用不受土壤磷可利用性地影响。氮处理下更低的可溶性有机碳、更高的罗兹菌属的相对丰度和更高的氧化酶活性均支持氮肥加剧微生物碳限制这一结论。这是因为可溶性有机碳是微生物较为容易利用的碳，而罗兹菌属真菌属于寡营养类群，氧化酶需要消耗微生物更多的能量。此外，氮肥还降低微生物残体活性库占比，而增加其惰性库占比。这些结果都说明，氮肥会持续加剧微生物的碳限制，从而不利用长期微生物残体以及土壤有机碳的积累。