应用稳定碳同位素技术研究土壤微食物网对秸秆还田措施的响应机制

Straw incorporation management has positive effects on increasing soil carbon storage and maintaining the soil fertility of cropland. Recently, the effects of straw incorporation management on the biomass, diversity and community composition of both soil microbial and nematodes communities have been well studied. However, few researches paid attention to the interaction between these two biological communities. Soil microbes and soil nematodes are important components of soil micro-food web. Their community composition and the interaction between them can affect soil carbon pool stabilization. Therefore, exploring the relationship between these two biological communities will be helpful for improving the biological mechanism of soil carbon pool and playing a key role in the ecosystem services of soil micro-food web. In this project, the functional groups of soil microbes and different trophic groups of soil nematodes in the brown soil of Northeast China will be studied. Incubation experiments will be conducted to determine the variations in the structure and function of soil micro-food webs under different amounts of straw incorporation treatments, and consequently investigate the relationship between soil microbial community and soil nematodes community. Stable carbon isotope technique will be applied to quantitatively analyze the carbon accumulation within different biological communities to reveal the mechanisms of carbon transformation and fixation within soil micro-food web, and to clarify the influences of soil organisms on soil carbon pool stabilization. The results of this study will be significant for improving the soil fertility.

秸秆还田措施对提高土壤碳库容量，维持农田土壤肥力具有积极作用。目前，对秸秆还田条件下土壤微生物和土壤线虫的研究主要集中在生物量、多样性和群落组成方面，而研究过程中很少关注这两个生物群落之间的相互作用。土壤微生物和土壤线虫作为土壤微食物网的重要组成部分，其群落组成和群落之间相互作用能够影响土壤碳库的稳定性。因此，探明这两个生物群落之间的相互作用关系有助于完善土壤碳库生物学作用机制和发挥土壤微食物网生态系统服务功能。本项目以东北地区棕壤为供试土壤，以土壤微生物功能群和土壤线虫各个营养类群为研究对象，利用室内培养法研究不同秸秆添加量水平下土壤微食物网结构和功能的变化，探讨土壤微生物群落和土壤线虫群落之间内在联系。利用稳定碳同位素技术定量分析各个生物群落中的碳积累情况，揭示土壤微食物网内碳的转化与固定机理，阐明土壤生物对土壤碳库稳定性的作用机制，以上研究将对提高土壤肥力具有重要的科学意义。

土壤微生物和线虫是土壤微食物网的重要组成部分，二者之间相互作用影响农田生态系统养分循环和功能。目前，有关秸秆还田条件下土壤微生物和线虫之间相互关系以及外源碳在土壤线虫各个取食通道内的流通与固定机理缺乏系统研究。因此，本项目采用13C稳定同位素示踪技术开展室内培养试验研究由土壤微生物和线虫构成的微食物网对秸秆还田措施的响应机制。研究结果表明，秸秆添加措施增加了土壤正激发效应而效应的大小与秸秆添加量呈正相关关系。土壤微生物功能群和线虫营养类群对不同秸秆添加水平存在差异性响应。例如，在低水平秸秆添加量处理中革兰氏阳性菌在试验培养初期对13C标记玉米秸秆碳的同化作用强于革兰氏阴性菌。与食细菌线虫和植物寄生线虫相比，食真菌线虫和杂食-捕食性线虫随着培养时间的增加对13C标记玉米秸秆碳的同化作用趋于增强且这种现象在高含量秸秆添加水平处理中尤为明显。值得注意的是，土壤线虫群落对土壤微生物群落的取食偏好随着培养时间的增加发生明显变化，由前期的食细菌偏好转变为后期的食真菌偏好。另外，研究发现土壤酸碱度（pH）、土壤易提取有机碳（EOC）和土壤含水量是影响13C标记玉米秸秆碳在土壤微生物和线虫群落内富集的重要环境驱动因子。在土壤线虫的细菌取食通道内，秸秆分解前期外源秸秆碳主要是通过革兰氏阴性菌转移到食细菌线虫体内，而秸秆分解后期则主要是通过革兰氏阳性菌转移到食细菌线虫体内。此外，随着培养时间的延长，13C标记玉米秸秆碳进入到土壤微食物网的途径发生改变由前期的细菌分解通道转变为后期的真菌分解通道，并且这种现象在高含量秸秆输入系统更为显著。研究结果对揭示土壤微食物网内碳的转化与固定机理，阐明土壤生物对土壤碳库稳定性的作用机制提供重要的科学意义。