根际分泌物驱动土壤有机质周转的微生物控制机制研究

Soil microorganism drives the transformation processes of fresh organic matter into soil organic matter. Soil microbial community can not only promote the decomposition of the native soil organic matter through priming effect, but also form new soil organic matter through microbial residues. Because it is difficult to distinguish between soil formation and decomposition process, so its regulatory mechanism of the turnover process and efficiency of soil organic matter is still unclear. The incubation experiments will use 12C and 13C-enriched marker, and apply quantitative 13C nuclear magnetic resonance and stable isotope probe technology; the objectives of this project include: 1) to distinguish the formation and decomposition process of soil organic matter, and reveal the effect of added simulated root exudates concentrations and types (Glucose and alanine); 2) to determine the effect of functional microbial community and enzyme activity changes on soil organic matter decomposition and its regulation mechanisms; 3) to determine the microbial origin and its control mechanisms on soil organic matter formation; 4) to elucidate the microbial regulation mechanism of transformation efficiency of root exudates into soil organic matter. This study will provide scientific basis for deep understanding of rhizosphere soil organic matter circulation process, optimization of land use and improvement of soil carbon sequestration potential.

新鲜有机物转化为土壤有机质过程中土壤微生物起到关键的驱动作用。土壤微生物群落既能通过激发效应促进原有土壤有机质分解，也能通过微生物残体形成新的土壤有机质。由于难以区分土壤有机质形成和分解过程，人们对土壤有机质周转过程及效率的调控机制尚不清楚。通过添加12C和13C同位素富集标记物的培养实验，综合应用定量核磁共振和稳定同位素探针技术，本项目的研究目标包括：1）区分土壤有机质形成和分解过程，揭示模拟根际分泌物添加浓度和种类（葡萄糖和丙氨酸）的影响；2）明确土壤有机质分解的功能微生物群落和酶活性变化及其对土壤有机质分解的调控作用；3）明确土壤有机质形成的微生物来源和控制作用；4）阐明根际分泌物转化为土壤有机质效率的土壤微生物调控机制。为深入理解根际土壤有机质周转过程和优化土地利用方式，提高土壤固碳的潜力提供科学依据。

新鲜有机物转化为土壤有机质过程中土壤微生物起到关键的驱动作用。土壤微生物群落既能通过激发效应促进原有土壤有机质分解，也能通过微生物残体形成新的土壤有机质。由于难以区分土壤有机质形成和分解过程，人们对土壤有机质周转过程及效率的调控机制尚不清楚。本项目选取来自黑龙江、新疆、广州和云南的四种土壤。这些土壤的有机质含量和品质、土壤微生物生物量和群落结构均存在较大差异。通过添加12C和13C同位素富集标记物（葡萄糖和3-O-甲基葡萄糖，OMG）培养实验，综合应用定量核磁共振和稳定同位素探针技术，本项目的研究目标包括：1）区分土壤有机质形成和分解过程，揭示模拟根际分泌物添加浓度和种类的影响；2）明确土壤有机质分解的功能微生物群落和酶活性变化及其对土壤有机质分解的调控作用；3）明确土壤有机质形成的微生物来源和控制作用；4）阐明根际分泌物转化为土壤有机质效率的土壤微生物调控机制。本研究系统地讨论了现存激发效应的生物学机制及其关系。研究的相关结果，首次提供激发效应产生过程中微生物生物量和群落结构变化的证据，明确了激发效应受控于“共代谢机制”和“底物偏好机制”的相对作用；发现了输入葡萄糖能激活土壤中所有微生物生长（激活机制），输入有机物量和类型对微生物生长量没有影响；输入有机物数量以及初始矿质氮的相对有效性决定了真菌生物量增长及其对激发效应大小的主导作用；激发效应过程中矿质氮的增加促进细菌生物量增长，强化了“底物偏好机制”，导致激发效应与输入有机物的数量呈非线性增加的关系。此外，本研究还指出目前关于激发效应的“氮挖掘机制”的字面解释是错误的，正确的解释应该是输入有机物促进真菌生长，通过‘共代谢机制’利用土壤有机质产生激发效应，促进土壤有机氮矿化，促进细菌利用矿质氮和输入有机物而生长。为此，我们提出新的“碳氮相对有效性机制”，该机制首次明确了土壤矿物对输入有机物的物理保护作用，降低输入有机物的微生物有效性并影响激发效应的动态及其大小，但土壤酶活性变化与激发响应的关系不显著。研究结果对考虑不同机制的耦合作用，改进未来土壤碳循环模型，提高对土壤碳循环过程的模拟和预测具有重要意义。目前完成论文1篇，已投稿GCB（在审）；已完成待投稿论文2篇，待完成论文1篇；合作指导博士生2名。