外源碳和钙对喀斯特区土壤有机碳积累及其对温度的响应机制

Under the background of global climate change, due to the particularity of Karst region, the research on soil organic carbon accumulation and transformation has attracted more and more attention. This kind of research in Karst area is of great significance to explore the mechanism of soil organic carbon accumulation and to deeply understand the structure and function of ecosystem. This project take three kinds of typical soils (yellow soil, black calcareous soil, brown calcareous soil) in Karst area as the research object. Using the field investigation, indoor test and isotope and molecular biology technology, this project intend to clarify the relationship between different calcium morphology and soil organic carbon mineralization in Karst area, the effects of exogenous carbonate organic carbon (13C-CaCO3) and organic carbon(13C-straw) under different temperature gradients(15±1°C, 25±1°C and 35±1°C) on soil organic carbon accumulation/ mineralization in Karst area and the response of soil microbial community to external carbon and calcium additive under differen temperature. The study can not only provide the scientific basis for the objective evaluation the sensitivity of soil organic carbon mineralization (soil respiration) to temperature and the contribution of calcium carbonate in lime soil to carbon dioxide released by soil respiration, but also lay the foundation.for exploring new technology for soil carbon sequestration and regional ecological function transfer.

全球气候变化背景下，由于喀斯特地区的特殊性，其土壤有机碳积累与转化研究受到了越来越多的关注。在喀斯特地区开展这类研究，对探索土壤有机碳积累机制和深入认识生态系统结构与功能都具有重要意义。本项目以贵州种喀斯特区典型土壤（黄壤、黑色石灰土、棕色石灰土）为研究对象，利用野外调查、室内培养试验相结合以及碳同位素和分子生物学等技术，定量研究不同温度梯度下（15±1°C、25±1°C和35±1°C）土壤有机碳积累/矿化对外源碳和钙添加物（13C-CaCO3和13C-秸秆）的响应特征，揭示不同钙形态与土壤有机碳矿化的关系，明确典型喀斯特土壤有机碳矿化/积累对外源碳和钙的温度响应特征及其微生物机理。本研究不仅为客观评价喀斯特土壤有机碳矿化（呼吸）对温度的敏感性以及石灰土中碳酸钙含量对土壤呼吸释放的二氧化碳的贡献提供科学依据，而且为挖掘土壤固碳新技术和区域生态功能转移奠定基础。

【目的】外源物质与温度是影响土壤有机碳矿化和温室气体的排放的重要因素。【方法】本研究以贵州喀斯特地区黄壤和石灰土为研究对象，通过室内培养试验，利用13C同位素示踪与高通量测序技术，研究不同温度（15℃、25℃和35℃）下外源13C-CaCO3和13C-稻草对土壤有机碳矿化、微生物生物量碳及微生物群落多样性、组成结构的影响。【结果】土壤总CO2释放速率和13C-CO2释放速率在培养第1 d最高，15~60 d趋于平缓。外源碳酸钙和外源稻草对黄壤和石灰土有机碳矿化分别产生负激发效应和正激发效应，激发效应（PE%）随时间逐渐减弱。培养60d后，外源碳酸钙对黄壤和石灰土有机碳矿化的激发效应分别为-55.48%和-55.50%，外源稻草的为178.95%和153.31%。温度升高促进了土壤CO2的释放量，增加了外源碳酸钙和稻草对土壤总CO2释放的贡献率。温度升高增加了外源碳酸钙的负激发效应。25℃下外源稻草的激发效应明显高于15℃和35℃。培养温度、土壤类型及其交互作用对碳酸钙和稻草的激发效应均有显著影响。黄壤和石灰土的Q10变化范围在0.90~1.69和0.87~2.90之间。外源碳酸钙可减缓温度对Q10的增强作用，尤其在培养前期。黄壤与石灰土微生物生物量碳（MBC）含量分别为42.32~351.574mg/kg和260.06~573.74mg/kg。添加碳酸钙或稻草可增加土壤MBC含量。温度变化对外源碳酸钙或稻草转化13C-MBC有影响。外源碳酸钙在培养初期抑制了土壤微生物群落多样性和丰富度。添加稻草降低了黄壤中细菌群落多样性、增加了真菌群落多样性，石灰土中则相反。土壤的优势细菌是放线菌门、绿弯菌门、变形菌门，优势真菌是子囊菌门。外源碳酸钙和稻草通过影响土壤细菌与真菌群落结构变化从而影响了SOC的矿化。 【结论】外源碳酸钙和外源稻草对土壤有机碳矿化分别产生负激发效应和正激发效应，对黄壤的效应强于石灰土。温度升高促进了土壤有机碳的矿化和外源碳酸钙和稻草的激发效应。外源碳酸钙可减缓温度的作用。在微生物的作用下，外源碳酸钙参与了土壤碳的转化。外源碳酸钙和稻草通过影响土壤细菌与真菌群落结构变化，影响了SOC含量和累积矿化量。