基于生物标志物的“枯落物-土壤”表层界面有机碳转化过程研究

As the primary material source of soil organic carbon accumulation, the decomposition and transformation processes of litter are important linkers of soil carbon pool and plant carbon pool, which has significant influence on soil organic carbon sequestration. However, at present most of researches about the contribution of litter decomposition to soil organic carbon were focused on soil part, lacking “litter-soil” interface’s research. The interface of “litter-soil” is a key place that proceed organic carbon transformation. Thus, the typical herbaceous community (St.B- Stipa bungeana) litter in Chinese loess hilly-gully was taken as the object, using field control simulation, lab incubation test, and 13C stable isotope tracer technique to monitor organic carbon transformation process. Combining with the carbon-13C NMR spectra identification to confirm the transformed characteristics of litter and soil organic carbon, and to judge the different biomass sources of soil organic carbon by biomarker. Further to explore the convert pathway of litter organic carbon, and to illuminate the contribution of litter carbon source. This work will get new insight into “litter- microorganism-soil” system, and obtain scientific evidences for evaluating the long-term carbon sequestration of vegetation restoration of Loess Plateau.

枯落物作为土壤有机碳积累的物质来源，其分解转化是联系土壤碳库和植物碳库的重要环节，对土壤有机碳固定具有重要影响。然而，目前关于枯落物分解对土壤有机碳贡献的研究多聚焦于土壤本身，对有机碳转化的核心区域“枯落物-土壤”表层界面缺乏深入探究。本项目拟以黄土丘陵区典型草本植物（长芒草）群落枯落物为研究对象，采用野外定位控制、室内模拟培养实验和δ13C稳定同位素示踪技术，对“枯落物-土壤”表层界面有机碳的转化过程进行深入研究。结合固态核磁共振技术实现对有机碳谱的识别，明晰分解过程中枯落物和土壤有机碳的转化特征；借助生物标志物对土壤有机碳积累的不同生物质来源进行追踪，明确枯落物碳的转化途径；探讨土壤有机碳组分对枯落物碳源输入的响应机制，阐明枯落物分解对土壤有机碳固定的相对贡献。为深入研究“枯落物-微生物-土壤”系统碳循环过程提供理论基础，也为科学评价黄土丘陵区植被恢复的长期固碳效应提供科学依据。

枯落物的分解、转化和固存机制是陆地生态系统碳循环的基本过程，“枯落物-土壤”界面是连接植物和土壤的复杂表层，也是植物性碳源向微生物碳源转化的核心区域，由于其过程的复杂性，对此转化界面的微生物介导的碳转化调控认知十分缺乏。随着微生物C泵理论(MCP)的提出和深化，对有机碳转化过程的理解逐渐从传统的“腐殖质形成”理论转变为“土壤微生物代谢调控”和微生物周转促进有机碳形成的新共识。本项目以黄土丘陵区典型草本植物（长芒草）群落枯落物为研究对象，采用野外定位控制、室内模拟培养实验对“枯落物-土壤”表层界面有机碳的转化以及微生物的调控过程进行深入研究。通过δ13C稳定同位素示踪技术对植物残体C的转化过程进行监测，揭示“枯落物-土壤”表层界面有机碳的“源-汇”动态。借助固态核磁共振技术明晰分解过程中枯落物和土壤有机碳的转化特征；结合生物标志物判断土壤有机碳的不同生物量来源；运用胞外酶化学计量方法，揭示“新碳”转化过程中所引起的微生物的代谢限制。结果表明，草地生态系统植被恢复对微生物代谢限制（SMML）的影响是植被组成、土壤性质和土壤微生物群落营养需求共同变化的结果。当外源营养不能满足土壤微生物要求时，它们会通过调节胞外酶活性和微生物生物量化学计量比来响应SMML。SMML是微生物稳态的潜在决定因素。微生物生物量碳（MBC）是影响微生物残体碳（MNC）的关键因子，与SMML显著相关。枯落物分解过程中，微生物生物量在C和P限制条件下受到抑制，这是矿质结合态有机碳（MAOC）略有下降的部分原因。如果土壤微生物代谢受限强烈，就会快速利用较为稳定的微生物残体C进行补充。此时，微生物生物量周转率的降低导致MAOC对SOC的贡献降低。基于此，本项目为深入探究土壤有机碳的固定机制,进一步认识“枯落物-微生物-土壤”系统碳循环过程以及科学评价黄土丘陵区植被恢复的长期固碳效应提供科学依据。