氮磷盈亏对土壤中有机碳分解转化的影响及其微生物学机制

Most ecosystems are at risk of increased inputs of nitrogen and phosphorus. Currently, there is still a big dispute, how these nutrient elements affect the decomposition and transformation of soil organic carbon. This project intends to continue the study of soil organic C (SOC) with the platform of Fengqiu long-term fertilization experiment. Under different soil nutrient status with P and K gains and losses, incubation experiments and field micro-plot experiments with 13C-labelled straw will be conducted to investigate the decomposition and turnover of endogenous and exogenous SOC and the resulting priming effects. Through replacement of soil microbial communities, the effects of nutrients status on SOC can be compared between soils with different microbial carbon metabolic functions. Simultaneously, soil microbial parameters are estimated during distinguished stages of OM decomposition, including microbial community structure with pyrosequencing, microbial carbon metabolism features with substrate-induced respiration curve, and the activities of extracellular enzymes involved in OM decomposition. Through coupling the organic carbon mineralization dynamics and microbial indicators, we aim to clarify the effects of soil nutrients nitrogen and phosphorus on the decomposition and turnover of SOM, and the microbiological mechanisms of priming effect. The project contributes to a better understanding of hot issues, "ecosystem C sequestration" and "GHGs emission from soil". The results relative to "nutrients controlling SOC" can directly serve SOC management and soil fertility improvement in agro-ecosystem.

大多数的生态系统正面临氮磷元素输入增加的风险，养分元素如何影响有机碳分解和转化的研究，结果却存在很大争议。本项目拟依托中科院封丘长期定位施肥试验平台，利用13C标记秸秆，通过矿化曲线和胞外酶活性，比较不同氮磷盈亏条件下土壤内外源有机碳的分解和转化特征，量化激发效应。然后，通过微生物群落置换试验，研究氮磷盈亏在具有不同碳代谢能力的微生物群落存在下，对土壤有机碳转化的影响。在有机碳分解的特定阶段，利用高通量测序等手段解析微生物的群落结构，利用底物诱导呼吸曲线等表征微生物碳代谢特征；通过耦合有机碳分解矿化动态和微生物学指标，阐明养分元素导致的激发效应的微生物学机制。本项目的开展有助于深入认识"生态系统土壤碳固持"和"土壤温室气体排放"的热点问题，具有重要科学意义；同时，养分元素对有机碳调控的相关研究结果，可直接服务于农田地力提升和生产力可持续发展。

农田生态系统中，土壤有机碳的转化和土壤养分元素之间存在着复杂而紧密的联系。土壤微生物是土壤中重要的活的有机碳库，作为代谢“引擎”驱动着土壤中的元素循环。本项目从土壤微生物介导的养分元素循环及其与土壤碳循环的关联出发，利用中科院封丘农业生态试验站潮土长期定位施肥试验平台，设置室内培养实验，分别研究氮素盈亏、磷素盈亏对土壤中有机碳分解转化的影响及微生物学机制。研究发现：第一，农田土壤中单独施用氮素或磷素，不会对土壤有机碳的矿化、微生物群落结构等产生影响，而可利用性有机碳是土壤有机碳分解的激发子，能产生正激发效应，同时显著改变土壤微生物群落结构和活性。第二，氮素能增加纤维素等有机碳的分解，从而增加土壤中养分的供给；氮素同时减缓半纤维素和木质素等有机碳的分解，从而有利于土壤中难分解有机碳的固持和积累。氮素不仅改变土壤有机碳分解速率，也会因为对不同组分有机碳分解的影响不同，而改变土壤有机碳的组成和结构。第三，激发效应的两种机理并存于农田土壤生态系统中：在缺氮条件下土壤中K策略型微生物是主导者，通过掘氮作用分解土壤有机质以获取氮素；而富氮条件下主导者变为r策略型微生物，通过加快自身生长加速外源和土壤有机碳的分解。两者共同影响土壤内、外源有机碳的分解、矿化和积累。第四，当土壤缺磷时，磷素成为制约微生物生长和代谢的关键因子，微生物可以通过分解更多土壤有机碳来获得自身生长需要的磷素，但获得磷素的同时必须以消耗更多的能源（碳源）为代价，体现为“缺磷耗碳”。向土壤中输入有机碳，显著增加土壤微生物生物量、改变其群落结构、提高其代谢活性。微生物这些特征的改变反映在土壤宏观特征上，土壤磷酸酶活性提高，土壤磷转化能力增强，促进固定态磷向微生物量磷转化，体现为“补碳活磷”。这些机理的认识，有助于全面了解农田土壤养分循环过程和指导科学施肥，更好的服务于农田可持续发展和地力提升。