pH对红壤有机碳转化的影响及微生物作用机制

Recently, the acidification of red soil is serious to significantly decrease soil pH in southern China. Soil organic carbon (SOC) is the core of soil fertility and function. The transformation of SOC is affected by many factors such as temperature and moisture, while the studies on soil pH are very scarce. Most previous studies have demonstrated that the transformation of SOC was affected by soil types and land use style, failed to truly reveal the effect of pH on SOC transformation and its microbial mechanism. In this study, different pH samples will be generated by "electrodynamics" technology to evaluate the effect of pH on SOC transformation and its microbial mechanism. Combining traditional research methods, spectroscopy technology, stable isotope tracer technique and modern molecular biotechnology will be comprehensively applied in the experiments. The effects of pH on original SOC transformation of different red soils will be studied. The transformation characteristics of different organic materials in different pH will be analyzed in red soil. The changes of microbial functional diversity, structural diversity and genetic diversity will be measured. The transformation processes of "old carbon" and "new carbon" in different pH of red soil will be determined by stable isotope tracer technique. The succession of microbial communities to metabolize SOC in different pH of red soil will also be elucidated. This project will provide theoretical basis for mitigating soil acidification and improvement soil fertility in different acidification degree in red soil region of southern China.

当前我国南方红壤区土壤酸化现象严重，土壤pH的降低势必影响土壤微生物学特征和有机碳的分解转化。但是此前相关研究大多受不同土壤类型和利用方式等因素的干扰，未能真正直接揭示pH对土壤有机碳转化的影响及相应的微生物作用机制。本项目拟采用“电动力学”技术在同一性质土壤上制备不同pH样品，布置室内培养试验，综合运用土壤有机碳传统研究手段、光谱学技术、13C示踪技术及现代分子生物学技术等，研究pH对不同类型红壤原有有机碳及不同类型外源有机物料分解转化的影响，探明不同pH下土壤微生物功能、结构和遗传多样性的变化，通过13C示踪技术明确土壤“老碳”和外源“新碳”在不同pH红壤中的转化差异，揭示参与有机碳转化的关键微生物群落演变，最终阐明pH对红壤有机碳转化的影响及微生物作用机制。研究结果将为我国南方红壤区的酸化阻控及不同酸化程度土壤的改良培肥提供理论依据。

红壤是我国南方热带、亚热带地区的典型土壤，也是我国酸性土壤最主要的分布区，当前土壤酸化突出、pH下降明显。土壤有机碳是土壤肥力质量与生态功能的核心，对维持全球碳平衡具有重要意义。本项目采用“电动力学”技术将同一性质红壤上制备成不同pH样品，布置室内培养试验，综合运用土壤有机碳传统研究手段、13C同位素示踪技术及现代分子生物学技术，研究pH对红壤有机碳转化的影响及微生物作用机制。结果表明：电动处理可实现供试红壤样品pH的快速改变，4个制成土样的pH分别为3.81、4.78、5.62和6.53，相互间的土壤有机碳、总氮含量及机械组成等常规理化性质差异不显著，但微生物性质发生了巨大变化。随土壤pH降低，微生物的碳源代谢能力（AWCD）和功能多样性指数显著降低，碳源代谢模式发生明显转变。土壤pH降低也显著降低了细菌群落多样性，影响优势菌相对丰度和细菌群落组成。矿化试验发现，土壤pH越低秸秆分解率越低。秸秆添加对不同pH红壤的原土有机碳矿化总体表现出正激发效应，低pH（3.81和4.78）土壤的正激发效应明显强于高pH（5.62和6.53）土壤。培养试验结束时（120 d），秸秆碳分配到土壤总有机碳、可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）中的比例分别为56.0%~66.5%、0.15%~0.27%和1.40%~2.56%，土壤pH越低秸秆碳在上述三种形态有机碳中的分配比例越高。土壤pH降低会导致微生物优势菌群由富营养型向贫营养型演变，降低土壤微生物的功能多样性和遗传多样性，不利于微生物碳源代谢能力（AWCD）的发挥。综上所述，随着土壤酸化的加剧，外源秸秆在红壤中的分解率逐渐降低，使土壤中积累更多的外源秸秆碳，但同时也更促进原土有机碳的矿化，最终将导致土壤有机碳的周转更新变慢，长期发展下去势必会影响红壤生态系统的稳定性和生产力。本研究结果将为我国南方红壤区的酸化阻控及不同酸化程度红壤的改良培肥提供理论依据。