【摘 要】
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全球气候变化背景下,植被初级生产量增加,进而导致输入土壤的新鲜有机物量增加。输入土壤的新鲜有机物,一部分在微生物的作用下分解为CO2和形成微生物量,另一部分通过物理保护转化为土壤有机质。新鲜有机物输入可能加速原土壤有机质分解,产生激发效应,同时还促进土壤氮释放。然而,土壤有机质激发效应的潜在微生物机制以及输入有机物的物理保护和土壤氮矿化的调控作用还不清楚。本研究选取土壤氮含量和微生物群落组成差异很
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
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全球气候变化背景下,植被初级生产量增加,进而导致输入土壤的新鲜有机物量增加。输入土壤的新鲜有机物,一部分在微生物的作用下分解为CO2和形成微生物量,另一部分通过物理保护转化为土壤有机质。新鲜有机物输入可能加速原土壤有机质分解,产生激发效应,同时还促进土壤氮释放。然而,土壤有机质激发效应的潜在微生物机制以及输入有机物的物理保护和土壤氮矿化的调控作用还不清楚。本研究选取土壤氮含量和微生物群落组成差异很大的两种黑土和两种红壤,添加0,0.5,1.0和2.0 g C kg-1的13C标记葡萄糖,开展48天的室内培养实验,拟实现三个目标:（1）认识不同土壤激发效应对葡萄糖添加量的响应;（2）同时定量葡萄糖诱导的微生物量和残体量、酶活性、土壤矿质氮和葡萄糖物理保护的变化量;（3）揭示土壤有机质激发效应动态和强度以及土壤有机质变化的调控机制和关键控制因素。主要研究结果和结论如下:激发效应动态及其调控机制。四种土壤的激发效应均在培养1天内达到峰值,然后下降,在20天后保持相对稳定且较低的速率。输入土壤的葡萄糖在培养第1天有67-92%被物理保护起来,该物理保护量随培养时间增加而降低,到培养末为4-37%。葡萄糖添加引起土壤矿质氮降低,其降低量为土壤初始矿质氮量的0.02-0.1%,且在培养第1天后随时间增加没有显著变化。利用葡萄糖的细菌生物量在所有采样时间点都增加;而利用土壤有机质的真菌生物量在大多数采样时间点都降低;细菌残体量在1-20天降低,碳氮相关酶活性在一些土壤中和时间点增加。激发效应峰前的激发效应速率在葡萄糖添加量间没有差异,而激发效应峰后的激发效应速率随葡萄糖添加量增加而增加。激发效应峰前的激发效应与土壤初始真菌生物量比例正相关,与土壤矿质氮和输入碳的比值负相关。激发效应峰后的激发效应与物理保护的葡萄糖量、矿化的土壤氮量、利用葡萄糖的细菌和真菌增加量正相关。这些结果为激发效应的激活作用、偏好性底物利用、微生物残体再利用和共代谢提供了实验证据;表明葡萄糖的物理保护通过影响微生物生长和周转控制激发效应时间动态。激发效应峰受激活的真菌,或葡萄糖被物理保护前利用葡萄糖的微生物快速周转调控;下降阶段的激发效应受微生物残体再利用调控;长时间持续的低激发效应可能是葡萄糖的物理保护所致。激发效应强度及其调控机制。葡萄糖添加诱导四种土壤均产生正激发效应(0.4-3.0 mg C g-1 SOM-C),其强度随葡萄糖添加量增加而增加,低氮土壤激发效应高于高氮土壤。添加2 g C kg-1葡萄糖诱导的激发效应增加量在低氮红壤、低氮黑土和高氮黑土中低于,而在高氮红壤中高于添加1 g C kg-1葡萄糖诱导的激发效应增加量。葡萄糖添加导致所有土壤细菌和真菌生物量增加,土壤氮矿化;导致所有土壤真菌残体量增加,一些土壤细菌残体量降低。低氮土壤的细菌真菌增加量的比值高于高氮土壤。激发效应强度与增加的真菌生物量和矿化的土壤氮量正相关。真菌增加的生物量取决于培养前输入碳与土壤矿质氮的比值,以及培养后土壤氮矿化量。细菌和真菌增加的生物量对土壤矿质氮的需求不同,前者是后者的40倍。这些结果表明,微生物生长通过共代谢葡萄糖产生正激发效应,真菌通过再利用细菌残体产生正激发效应,细菌通过偏好利用输入的葡萄糖和土壤矿质氮产生负激发效应。土壤氮矿化和激发效应同时发生,真菌主导土壤氮矿化,而矿化的土壤氮用于细菌生长,土壤氮挖掘是激发效应的结果,而不是其驱动机制。激发效应强度随葡萄糖添加量增加是微生物量增加的结果;低氮土壤相对高氮土壤有更高的激发效应是更高真菌增加量的结果。低氮红壤、低氮黑土和高氮黑土中高量葡萄糖诱导的激发效应增加量降低可能是细菌的偏好底物利用增加所致;高氮红壤中高量葡萄糖诱导的激发效应增加量增加可能是高量的细菌共代谢所致。土壤有机质变化及其调控机制。两种高氮土壤有机质的烷氧C相对比例高于,而芳香C-C和芳香C-O相对比例低于两种低氮土壤。两种高氮土壤激发效应低于,而物理保护的葡萄糖量高于两种低氮土壤。葡萄糖添加虽然诱导四种土壤产生正激发效应,但是在培养期间土壤有机质净增加319.29-1515.10 mg C kg-1,其增加量随葡萄糖添加量增加而增加,且两种低氮土壤(319.29-1406.67 mg C kg-1)低于两种高氮土壤(353.26-1515.20 mg C kg-1)。结构方程模型分析显示,金属氧化物通过与土壤砂粒级矿物结合态有机质、非极性烷基碳的相互作用增加土壤有机质;土壤有机质和矿化氮、葡萄糖通过影响细菌和真菌生物量的增加调控激发效应;金属氧化物抑制输入葡萄糖（kp,-0.856）和土壤有机质（kp,-0.572）的分解,进而增加土壤有机质。这些结果说明金属氧化物通过对输入有机物和原土壤有机质的保护导致土壤有机质净增加;揭示了矿物保护和微生物生长,而非土壤有机质难降解性对土壤有机质增加的调控作用。
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