典型岩溶区土壤微生物碳酸酐酶的碳增汇潜力及其调控因素研究

The correct understanding of karst carbon sink potential is one of the important scientific propositions. Carbonic anhydrase (CA) can efficiently catalyze the interconversion of CO2 and HCO3-, therefore, it may have an important impact on the karst carbon sinks. Previous studies have demonstrated that microbes and their CA or bovine CA could promote the weathering or dissolution of carbonate rocks, however, the actual contribution of microbial CA to the weathering or dissolution of carbonate rocks (weathering or dissolution is the key mechanisms of the karst carbon sinks) under natural conditions needs in-depth studies. This project intends to carry out the field soil column or soil box experiments at different topographical positions, exemplified by the Karst Experimental Site in Guilin and taking Silai clastic rock area in Maocun as control area, in order to study and estimate the increment intensity of carbon sink of soil microbial CA at different topographical positions and in different seasons under the karst natural conditions. The predominant class of CA in the karst soil microorganisms will be ascertained. The abundance of CA producing and secreting functional microbes as well as CA expression levels will be monitored. The effect of their changes on increment of carbon sink in typical karst area and its main environmental regulation factors will be investigated and clarified. Combined with the results of the indoor simulation evidence experiments, the potential increment of carbon sink of soil microbial CA in typical karst area will be assessed, and the contribution size of soil microbial CA to the karst carbon sinks under natural conditions will be revealed. The research results in this project will provide new evidences for the scientific understanding of the carbon sink potential in the karst ecosystems.

正确认识岩溶碳汇潜力是当前重要科学命题之一。碳酸酐酶（CA）能高效催化CO2和HCO3-之间的相互转化，对岩溶碳汇可能产生重要影响。以往研究虽已证明微生物及其CA或牛CA对碳酸盐岩风化或溶解具有促进作用，但在自然条件下微生物CA对碳酸盐岩风化或溶解（风化或溶解是岩溶碳汇的关键机制）的实际贡献尚需深入研究。本项目拟以桂林岩溶试验场为例，以毛村思赖碎屑岩区为对照区，在不同地貌部位开展野外土柱或土壤箱实验，研究并估算岩溶自然条件下不同地貌部位及不同季节土壤微生物CA的碳增汇强度，探明岩溶土壤微生物中占主导地位的CA类型，监测岩溶土壤中产生分泌CA功能菌的丰度及CA表达量，研究并弄清其变化对典型岩溶区碳增汇的影响及其主要环境调控因素，结合室内模拟佐证实验结果，评估典型岩溶区土壤微生物CA的碳增汇潜力，揭示自然条件下土壤微生物CA对岩溶碳汇的贡献大小，为科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力提供新证据。

正确认识岩溶碳汇潜力是当前重要科学命题之一。以往研究虽已证明微生物及碳酸酐酶(CA)能加速岩溶作用，且认为微生物能增加土壤碳储存，但在岩溶区自然条件下微生物及CA能否增加土壤碳储存尚不明确。为此，本项目设计了野外土柱实验装置，分别在桂林丫吉岩溶试验场和毛村思赖碎屑岩对照区开展野外土柱溶蚀实验，研究岩溶区自然条件下微生物及CA对岩溶土壤生态系统碳储存的实际贡献，探究产CA微生物与岩溶作用强度的关系，分析其主要土壤调控因素，结合室内模拟佐证实验结果，估算土壤微生物及CA对典型岩溶系统的碳增汇潜力，探讨微生物及CA促进岩溶土壤系统碳储存的机制。本项目的主要研究结果如下：（1）土壤中产CA微生物及CA能增强岩溶区自然条件下的岩溶作用强度，使平均土壤有机碳（SOC）含量增加19.22% (p<0.05)，增加了岩溶土壤生态系统中SOC形式的碳储存。（2）复合产CA微生物菌剂或复合抑制剂的投加调节了表层土壤的总细菌丰度和CA活性，从而影响了岩溶作用强度。（3）岩溶作用强度的主要土壤调控因素为土壤pH、总氢、总有机碳、交换性钙及CA活性。（4）微生物CA对CO2-H2O-碳酸盐系统吸收CO2的过程不仅具有增速作用还具有增量作用，对该系统DIC形式碳储存的贡献率至少达到1/5。（5）岩溶土壤中微生物及CA促进碳储存的主要机制之一是改变碳元素的转化方向。（6）估算结果表明，西南岩溶区由于土壤微生物及CA的作用每年可以增加土壤碳储存2.04 Pg，其碳增汇潜力不容忽视。. 综上所述，本项目研究结果揭示了一个被忽视的可观的岩溶土壤生态系统中的碳储存，发现在岩溶土壤中微生物及CA是被忽视的碳储存重要贡献者，具有不容忽视的碳增汇潜力。该新发现将可能使微生物造成土壤碳释放的一贯看法在岩溶区被改变，并有助于回答对岩溶碳汇速率和稳定性的质疑。本项目研究结果为进一步丰富岩溶动力学理论提供了新证据，并且提供了一种通过调控土壤微生物增加岩溶生态系统碳储存的新途径。