碳氮交互作用影响激发效应的微生物机制研究

Addition of easily-decomposable organic substances to soil can alter the decomposition of native soil organic carbon in the short term, a phenomenon known as the Priming Effect. It is the key link between soil input and output and plays an important role in the accumulation and stability of soil organic carbon. However, previous studies have focused on the magnitude and direction of the effect of exogenous carbon inputs on the priming effect, while the microbial mechanisms of the priming effect are less understood. In addition, the increasing input of anthropogenically derived nitrogen may affect the priming effect by regulating the microbial processes. Therefore, this project intends to make a comprehensive understanding of the microbial mechanisms of the effect of carbon and nitrogen addition on the priming effect using the exiting long term in situ experiment with nitrogen addition gradient and the lab incubation experiment. On the one hand, we will explore how extracellular enzymes, microbial biomass, and carbon use efficiency affect priming effect. On the other hand, we will examine how microbial taxon-specific and community-level activity change by quantitative stable isotope probing, quantitative PCR technique, and high-throughput sequencing techniques. This project helps us better understand the mechanism of the priming effect of carbon and nitrogen addition via regulating microbial community composition, extracellular enzymes, microbial biomass, and carbon use efficiency, and helps us better predict the response of soil carbon pools to future climate change.

激发效应是外源易分解有机质输入在短时期内改变原有土壤有机碳分解的自然现象，是联系土壤有机碳收支过程的关键环节，对于土壤有机碳库的积累和稳定具有重要意义。然而，以往的研究更多地关注于外源物质输入对激发效应的作用大小和方向，而关于激发效应的微生物控制机制还不是很明确。加之人为因素导致土壤氮输入量逐年增加，增加的氮素可能通过调节微生物过程进而影响激发效应。因此，本项目拟探讨碳氮交互作用对激发效应影响的微生物调控机制。利用长期不同梯度氮添加野外平台和室内模拟实验研究碳氮添加如何通过影响胞外酶、微生物生物量和碳利用效率而影响激发效应，并利用定量同位素探针技术结合荧光定量和高通量测序技术，揭示影响激发效应的特异性微生物种类的变化以及利用外源碳或有机质的微生物群落组成的差异，从而阐释影响激发效应的主要控制因子以及这些因子之间的相关关系。该项目的实施将有助于我们更好地预测未来气候变化条件下土壤碳库的响应。

激发效应是外源易分解有机质输入在短时期内改变原有土壤有机碳分解的自然现象，是联系土壤有机碳收支过程的关键环节，对于土壤有机碳库的积累和稳定具有重要意义。近年来，由于大气氮沉降和肥料的使用，向生态系统增加的氮输入已成为全球气候变化的重要驱动因素，强烈地影响陆地生态系统的生物地球化学循环过程。因此，深入研究外源碳氮共同输入对土壤激发效应的影响，对把激发效应引入土壤碳循环模型、更好地预测未来气候变化条件下土壤碳库的变化具有重要意义。本研究以长白山阔叶红松林土壤为研究对象，研究长期不同梯度氮添加（0 kg N ha-1 yr-1、25 kg N ha-1 yr-1、50 kg N ha-1 yr-1、75 kg N ha-1 yr-1）和室内短期氮添加处理对土壤激发效应的影响及机制。研究发现，短期氮添加处理下，无论是在有机层还是在矿质层都显著地降低培养期间的土壤累积激发效应；矿质层单位土壤有机碳累积激发效应高于有机层，推测可能是由于矿质层具有较高的单位土壤有机碳的微生物生物量、可提取有机碳含量以及酶活性影响导致；野外长期氮添加处理下，无论碳添加与否，都显著地降低培养期间有机层土壤有机碳矿化，而没有显著改变矿质层土壤有机碳矿化；与对照相比，高氮添加显著地提高有机层的土壤累积激发效应，而矿质层土壤累积激发效应并不受氮添加的显著影响。该研究结果说明短期氮添加与长期氮添加对土壤激发效应的影响存在明显差异。该项目的实施将有助于我们更好地预测氮输入不断增加对森林土壤碳库的影响。