蚯蚓对土壤微生物残体碳固存过程的调控机制

As ecological model estimated that up to eighty percent of soil recalcitrant carbon (C) is formed by iterative accumulation of soil microbial residue, which is produced in the process of microbial turnover. However, traditional researches on soil C cycling are lack of directly monitor on microbial turnover and residue accumulation process, thus factors in regulating this process remain largely unknown. In most terrestrial ecosystems earthworm is the most abundant soil fauna in terms of the proportion in biomass. When soils under the process of earthworm ingestion, intestine digestion and excretion as casts, environmental condition can fluctuates severely, for example, oxygen and labile organic carbon availability can change as “high-low-high” and “low-high-low”, respectively. Environmental varibles fluctruation induces soil microbial communities structure and turnover fluctuates simultaneously, then may trigger substantial influence on production, decomposition and sequestration of microbial residue. Our research choose a dominant earthworm species Pontoscolex corethrurus in tropics and southern subtropics as research object, through laboratory microcosm experiments using 13C isotope to label alive microbes and microbial residue in two soils from forest and agriculture ecosystem, we can trace the alteration pattern of microbial communities sturcture, turnover and residue accumulation when earthworm process soils, then resolve the machanism on how earthworm regulates microbial residue accumulation process. Our research can substantially increase our understanding about the important role of earthworm in soil stable carbon forming.

据估算80%以上的土壤稳定性碳（C）由微生物周转过程中产生的死亡残体迭代累积形成，但传统的土壤C循环研究缺乏对微生物周转和其残体累积过程的直接监测，导致我们对此过程仍了解甚少。蚯蚓是大部分陆地生态系统中生物量占比最高的土壤动物。土壤被蚯蚓取食、消化和排泄过程中伴随着“有氧-厌氧-有氧”和“易利用有机C缺乏-丰富-缺乏”等环境条件的多次转换，导致好氧、厌氧微生物的反复消长，可能对微生物残体的生成、分解和固持产生巨大影响。本研究拟以热带和亚热带区域的优势种南美岸蚓为研究对象，通过在微宇宙实验中使用稳定同位素13C标记森林和农田土壤中的活性微生物及其残体，示踪蚯蚓生命活动过程中微生物群落结构、微生物周转及其残体累积的变化，分析微生物群落结构和微生物周转的波动式变化与其残体累积的关联性，从而揭示蚯蚓对土壤微生物残体C固存过程的影响及机制，增进对蚯蚓在土壤稳定性C固存中所扮演重要角色的理解。

蚯蚓、微生物和植物通过养分和C源供给多重关系影响微生物群落活性和结构组成，介导微生物残体累积和激发效应对土壤C固持和稳定性产生显著影响，项目通过2个实验对此进行探究。实验一开展蚯蚓和丛枝菌根真菌（AMF）的室内控制实验，利用微生物PLFA和氨基糖组分指示活性微生物生物量和死亡残体累积量，探究蚯蚓、微生物、植物的养分供应关系对土壤活性微生物周转和死亡残体累积的互作机制；实验二通过设置不同蚯蚓和葡萄糖添加处理，模拟蚯蚓对小分子植物根际C激发效应的影响，利用稳定同位素标记技术，定量不同生态型蚯蚓对根际激发效应强度和C固持的影响。主要研究结果为：. 1）蚯蚓可促进土壤氮的可利用性，植物共生AMF通过引起土壤氮养分可利用性下降抑制了活性细菌的生长，而蚯蚓对土壤养分元素可利用性的提高抵消了 AMF的抑制效应。指示细菌残体的氨基糖含量与活性细菌生物量呈正相关关系，AMF单独处理降低了细菌氨基糖含量，而同时接种AMF和蚯蚓时则未显著减少细菌氨基糖含量。该结果表明蚯蚓和 AMF 的交互作用对活性微生物生长的影响级联反馈到了微生物残体的累积量。. 2）葡萄糖添加处理对土壤C矿化有显著的正向激发效应，表现为提高了土壤呼吸释放速率，同时降低了土壤C含量。不同蚯蚓皆显著提高了土壤呼吸量，但也提高了土壤C含量，其中外来种土居型蚯蚓南美岸蚓对土壤呼吸的促进显著高于乡土种表栖型和乡土种土居型蚯蚓。相对于表栖型蚯蚓，土居型蚯蚓在实验后期降低了葡萄糖激发的土壤呼吸量。葡萄糖添加提高了土壤微生物中r-策略机会主义者相对丰度（Proteobacteria等），降低了k-策略微生物相对丰度（Firmicutes等），蚯蚓效应与之相反。蚯蚓对k策略者的促进，解释了其对葡萄糖激发效应的有限影响。. 本研究第一次深入揭示了蚯蚓在调控土壤微生物残体累积过程和植物根际激发效应上存在的多重机制，蚯蚓对土壤微生物残体累积的正效应能弥补其促进土壤有机C矿化的负效应，为深入理解蚯蚓对土壤C库固持量和稳定性的影响提供了新的视角。