氮肥施用对黄土丘陵区白羊草根-土界面碳流过程的影响机制

Carbon exchange between plants and soil is an important part of terrestrial ecosystem’s carbon cycle. Carbon flow on the root-soil interface is the linkage among plants, soil and microorganisms. Use of fossil fuel and fertilizer resulted in a significant increase N input into ecosystem, affecting the carbon flow between plant and soil. Clarifying the process of carbon flow on roots-soil interface at the conditions of N deposition increased is of great importance for scientifically evaluating and regulating the carbon sequestration of terrestrial ecosystem. To date, the effect of N deposition on the carbon cycle between plant and soil has been extensively investigated, however, the process of carbon flow and the function that microorganism played on the roots-soil interface is not clear, which is essential for understanding the processes of terrestrial carbon cycle and is also the basis for evaluating the carbon sequestration in the new environment. Based on the field and pot experiments, the present study investigated the carbon distribution and fixation of the root-soil interface of Bothriochloa ischaemum (L.) in the loess hilly region using the techniques of stable isotope probe and high-throughput sequencing, aiming to disclose the effect of N deposition on the carbon fractions on the root-soil interface, and quantify the distribution and fixation of carbon among the plant, soil and microorganism. Based on aforementioned work, the present study hope to clarify the mechanism that microorganism played on the carbon flow in roots-soil interface under the background of N deposition increased, and provide the scientific basis for the evaluation and regulation of terrestrial carbon sequestration in the new environment.

植物-土壤间的碳交换是陆地生态系统碳循环的重要组成部分，根系-土壤间的碳流过程更是联系植物、土壤及微生物的桥梁。化石燃料及化肥的大量使用导致生态系统氮素输入显著增加，直接影响了碳在植物-土壤间的流动。明确氮沉降增加下根-土碳流过程对科学预测与调控陆地生态系统碳汇功能具有重要意义。目前关于氮沉降与植物-土壤碳循环的关系已开展众多研究，但根-土界面碳流过程及其微生物作用机理尚不明确，而这些问题是认识陆地生态系统碳循环过程的关键，也是评价新环境下生态系统碳固持能力的基础。因此，本研究以黄土丘陵区地带性植被白羊草群落为研究对象，结合野外小区与室内盆栽试验，通过添加土壤氮肥模拟氮沉降，借助稳定同位素示踪和高通量测序技术，揭示氮肥施用对根-土界面碳组分的影响，量化碳在根-土-微生物系统中的分配与固定，阐明氮沉降背景下根-土碳流过程中的微生物作用机理，为科学评估与调控陆地生态系统碳汇功能提供依据。

植物-土壤间的碳交换是陆地生态系统碳循环的重要组成部分，根系-土壤间的碳流过程更是联系植物、土壤及微生物的桥梁。化石燃料及化肥的大量使用导致生态系统氮素输入显著增加，直接影响了碳在植物-土壤间的流动。明确氮素增加背景下根-土碳流过程对科学预测与调控陆地生态系统碳汇功能具有重要意义。本研究以黄土丘陵区典型植物白羊草为研究对象，结合野外小区与室内盆栽试验，借助稳定同位素示踪和高通量测序技术，研究氮素添加对植物根-土界面碳流过程的影响机制。研究表明，施氮显著提高了白羊草地上部分生物量，但抑制了根系的生长，降低了白羊草根冠比，使白羊草光合碳向地下部（根系+土壤）的分配显著减小。颗粒有机碳和可溶性有机碳是根-土界面有机碳变化的主要组分，表明出明显的根际效应（根际>非根际），表明根际是光合碳输入、周转和积累的主要区域。施氮显著降低了根际可溶性有机碳的含量，但对非根际无显著影响，表明施氮降低了根际沉积碳的周转潜力，有利于白羊草光合碳在土壤中的稳定。根-土界面的有机碳主要来源于施氮后植物根系分泌物的增加，尤其是有机酸、氨基酸和糖酸，并且氮浓度越高其分泌量越多，例如草酸、洒石酸、吡咯-2-羧酸、扁桃酸、3-羟基丁酸以及咪唑丙烯酸。此外，施氮显著提高了根际土壤细菌群落的多样性，尤其是增加了富营养性的变形菌（Proteobacteria）和拟杆菌（Bacteroidetes），但是过量氮添加（>5 g m-2 yr-1）会降低微生物多样性。土壤氮素的提高导致了根际细菌群落的转配机制发生改变，表现出由随机过程向确定性过程转变，革兰氏阴性菌和真菌是利用光合同化碳的主要群落。综上，氮添加通过调节土壤氮水平和根系分泌物改变了根-土界面有机碳的转化与分配，尤其是促进了根际氨基酸和短链有机酸的释放，进而改变了根际微生物群落结构。以上结果阐明了氮沉降影响植物根-土界面碳循环的过程和机制，为科学预测与调控陆地生态系统碳汇功能以及土壤有机碳稳定与平衡的管理经营策略提供了科学依据。