土壤团聚体调控黑土有机碳激发效应的机制

Soil organic carbon (SOC) storage is derermined by the stability of SOC, while the degree of priming effect is the critical process controlling SOC stabilization. However, the mechanism and main factor influence priming effect is not totally understood. The mechanism of soil aggregate controlling SOC priming effect is the critical part of priming effect. Soil samples in this study are taken from different C level and aggregate content from long-term experiments. Field and simulatation experiment, isotopic approach, molecular biology, NMR and CT scanning technology are applied to identify 1) the capacity of soil aggregate controlling SOC priming effect, 2) microbial mechanism of the priming effect based on aggregate controlling the SOC priming effect, 3) the characteristic of C componets, C fractrions, animo sugar and enzyme activity. The present study seeks to reveal the power of soil aggregate controlling priming effect and the response of SOC and microrganism to aggregate priming effect as conducted in typical Mollisol with high SOC content and good macro aggregate structure. It would make scientific and practical significance in mitigating CO2 emmision and improving SOC stability .

土壤有机碳的稳定性决定碳库的储碳能力，土壤有机碳激发效应大小又是影响有机碳稳定性的重要途径，目前对有机碳激发效应的机制和影响因素尚未完全清楚，所以研究土壤有机碳激发已成为国际热点问题。土壤团聚体控制土壤有机碳激发效应的机制，是激发效应的重要组成部分。本项目利用黑土长期试验所获得不同有机碳和不同大团聚体含量的土壤作为研究材料，采用田间和模拟方法、同位素示踪和分子生物学技术、核磁波谱和CT扫描手段，系统研究：1）土壤团聚体控制土壤有机碳激发效应的能力；2）团聚体控制土壤有机碳激发的微生物机制；3）土壤有机碳激发过程中的有机碳结构、组分及氨基糖和土壤酶的变化特征。在中国典型黑土有机碳含量高和大团聚结构好的条件下，把明确团聚体控制土壤有机碳激发能力的大小、土壤有机碳在激发过程中的有机碳变化特征和微生物的作用机制作为研究目标，对于控制CO2排放和提高土壤有机碳稳定性，既有科学意义又有应用前景。

土壤团聚体作为土壤的重要组成部分及土壤结构的基本单元，对土壤有机碳起着重要的物理保护作用。土壤团聚体中的有机碳影响土壤的激发效应，但其影响的内在机制和关键影响因素还不明确。本项目选取海伦野外生态实验站长期定位试验中的草地（GL）、农田（FL）和裸地（BF）的原状土（IAD)和团聚体破坏(RAD)的土壤为研究对象，以葡萄糖和丙氨酸作为激发物质，研究不同有机碳和不同大团聚体含量土壤有机碳激发能力的大小、土壤有机碳在激发过程中的变化特征和微生物的作用机制。研究结果表明GL-IAD土壤团聚体粒级以> 0.25 mm为主，占土壤总团聚体的73.4%，而FL-和BF-IAD处理> 0.25 mm土壤团聚体粒级<37.5%，以0.053-0.25 mm和< 0.053 mm的土壤团聚体为主。不同土地利用方式下土壤团聚体中有机碳的含量则均以0.25-2 mm粒级中最高。无论是否添加激发物质，GL累积呼吸量中来源于土壤有机碳矿化的比例为77-85%，且其激发效应显著高于FL和BF。土壤团聚体破坏（RAD）后> 2 mm大团聚体消失，而0.053-0.25 mm和< 0.053 mm团聚体增加，激发效应变化趋势与IAD一致。与GL-IAD相比，GL-RAD激发效应增加了21%，同时土壤有机碳累积呼吸量、总磷脂脂肪酸含量、总细菌、真菌、放线菌、革兰氏阳性和阴性细菌的磷脂脂肪酸含量、细菌真菌比、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均有增加。采用分子网络分析表明，添加葡萄糖激发物质的网络中，Verrucomicrobia和Chloroflexi为网络枢纽；添加丙氨酸激发物质的网络中，Acidobacteria、Verrucomicrobia和Chloroflexi被检测为网络枢纽；而不添加激发物质的CK网络，Proteobacteria为网络枢纽。进一步采用随机森林预测结果表明Chloroflexi和Gemmatimonadetes相对丰度的变化对激发效应的贡献最大。此项研究结果明确了土壤团聚体对黑土有机碳激发效应的调控，阐明土壤团聚体对土壤有机碳矿化的贡献，为揭示黑土有机碳稳定机制提供了基础数据。