几种农业土壤微生物代谢热动力学的定量表征及与土壤质量的关联解析

土壤微生物代谢热动力学提供微生物生长速率、热释放、代谢熵等多重信息，具有定量化、灵敏、实时监测等特点，是反映土壤微生物代谢活性的重要手段，国内尚未系统研究过。本研究拟以代谢热动力学为核心，辅以土壤呼吸、酶活、功能多样性等代谢指标，系统比较南北方主要农业土壤微生物代谢热动力学特征，解析土壤肥力差异；比较红壤长期旱作与稻作以及稻麦轮作两季代谢热动力学差异，解析土壤利用与质量演变之间的联系；借助长期定位施肥试验平台，研究长期不同施肥对微生物代谢热动力学特征的影响，解析土壤微生物对有机质的转化效率，区分细菌与真菌的代谢强度，系统阐释代谢热动力学与其它代谢指标的关系及其对土壤质量的综合指示意义。通过系统研究，将更全面地解析土壤微生物代谢活性，建立土壤微生物代谢热动力学的定量表征体系，建立土壤质量变化的早期预警机制，为探讨土壤质量演变的微生物学调控机制提供突破口，为土壤可持续利用提供新的科学依据。

土壤微生物活性远落后于群落结构的研究，代谢热动力学是反映土壤微生物代谢活性的重要新兴手段，本研究针对几种典型土壤，结合其它技术，构建了表征土壤质量的微生物活性体系。. 通过对红壤性水稻土长期施肥的微生物活性和群落结构的分析，证明NP平衡施肥显著提高了微生物代谢活性，缺P则较低，不施肥最差；PLFA的变化与代谢活性趋势一致，二者和水稻产量相对应。有机肥对真菌PLFAs影响最大，而有机肥和肥料成分的复杂性对细菌PLFAs影响大。建立了代谢热熵计算模型（QT/MBC），可反映土壤有机C的转化效率和碳排放；引入了热释放速率指标。. 华北潮土长期施肥试验证明脂肪酸含量与SOC和总N呈显著正相关，缺P对土壤微生物最为不利，土壤质量最差；与早期发表的代谢热结果一致，平衡施肥有利于微生物生物量和代谢活性的增加，从而提高土壤质量。各种施肥方式均增加了腐生真菌的多样性，有机肥显著增加腐生真菌的数量；但平衡施肥反而降低了AM真菌的多样性和数量，而非均衡施肥增加其数量，两种真菌的相反走势与其利用C源不同有关。今后的研究应综合考虑两种真菌的功能差别及其对土壤质量的影响。. 江西余江同一母质不同利用方式的水稻土、旱作花生土和林地土，NMDS表明，代谢热可明显区分3种土壤，而PLFAs未能区分花生地和林地。证明土壤微生物的群落结构和代谢活性均发生了分异和演变。与土壤养分的数据一致，代谢热熵表征花生地土壤质量最差，而林地与水稻田较高。但其它代谢热指标则不能用于水旱农田间的比较。. 咸宁红壤稻麦轮作系统，总PLFAs和微生物代谢活性，麦季均明显高于稻季。. 红壤不同活性代谢指标的比较，显示底物诱导的代谢热与二氧化碳呼吸在32小时前具有较高相关性，但之后急剧下降，揭示前期以好氧微生物为主，后期以厌氧微生物为主，二者反映的内在机理有所不同。关联分析显示高的土壤MBC和PLFA，具有高的土壤呼吸速率和脲酶，以及低的代谢熵和出峰时间，指示好的土壤质量，它们均是指示土壤质量的良好指标。. 对河南、湖北、江西的几种典型土壤84个土样的综合研究，首次证明大尺度范围下（1,000 km）土壤微生物代谢活性的生物地理属性，受空间距离、pH、TP、降雨和温度等的驱动。这一结果将有助于土壤微生物结构与功能、土壤质量的地理属性的研究。