土壤有機質礦化研究獲系列進展

2020-12-08 中國科學院

　　中國科學院東北地理與農業生態研究所海外特聘研究員項目旨在鼓勵加強學科組與國外傑出科研工作者的合作研究。自2017年，受東北地理所海外特聘研究員項目資助，土壤物質循環學科組與加州大學戴維斯分校教授William R. Horwath團隊合作在土壤有機質礦化等方面取得了系列研究進展，加強了學科組的科研成果產出，研究成果分別發表在土壤學刊物European Journal of Soil Science，Soil Biology & Biochemistry 和Soil Science Society of America Journal上。

　　有機物質輸入被認為是維持和提升土壤有機碳的重要措施。然而，外源有機物質輸入未必一定提升土壤有機碳含量。土壤有機碳庫的大小取決於碳輸入和碳輸出的動態平衡過程，其中，聯繫碳輸入和碳輸出的一個重要過程是外源有機物質對原有土壤有機質的激發效應（Priming effect）。激發效應指外源有機物料的投入使土壤中原有有機質的礦化速率發生改變的現象。關於有機質激發效應的研究儘管開展了很多，但其內在機制還不明確。土壤微生物量佔土壤總碳和總氮比例較小，儘管如此，土壤微生物對土壤有機碳庫及其動態變化具有重要影響。在農田生態系統中，耕作、施肥等人為活動會顯著改變土壤微生物量以及氮素有效性，然而，微生物量以及氮素有效性的變化對植物殘體分解和土壤有機質礦化的影響依然不明確。該項目選擇來源於同一土壤類型但具有不同碳含量的農田和草地土壤，通過人為改變土壤微生物量的大小以及氮素有效性，利用同位素示蹤技術，研究了土壤初始微生物量和氮素有效性的變化對植物殘體分解、土壤有機質礦化以及植物殘體碳對土壤活性碳組分的貢獻。

　　研究顯示，氮素添加顯著抑制了黑麥草的分解，而土壤微生物量大小的變化對黑麥草的分解沒有影響。黑麥草添加對土壤有機碳的礦化造成了正激發效應；氮添加則顯著降低了激發效應。而微生物量大小的變化對激發效應的影響因土壤而異。研究認為，土壤微生物量的大小和土壤碳含量共同影響土壤碳礦化激發效應的大小和方向，同時還受氮素有效性的影響。研究結果於2018年發表在Soil Biology & Biochemistry。

　　另外，黑麥草添加激發了來源於土壤有機質的可溶性有機碳和微生物量碳。植物殘體質量顯著影響農田土壤中來源於植物殘體的可溶性有機碳。氮素添加減少了植物殘體碳對草地土壤可溶性有機碳的貢獻，而顯著促進了植物殘體在農田土壤微生物量中的同化。研究認為，土壤初始微生物量和氮素有效性顯著影響植物殘體碳在土壤可溶性有機碳中的分配以及在土壤微生物量中的同化。研究成果於2019年發表在Soil Science Society of America Journal。

　　土壤團聚體保護是土壤有機碳重要的保護機制之一，而不同團聚體粒級包裹的土壤有機碳數量和質量影響土壤有機碳的激發效應。該項目通過人為破壞的方式將具有完整團聚體的土壤與大粒級團聚體減少到微團聚體大小的土壤進行比較，探討了土壤團聚體減少對土壤有機碳激發效應的影響，結果發現，在整個培養過程，團聚體粒級減小沒有顯著影響土壤有機碳的激發效應。研究認為，激發效應是土壤的固有特徵，與團聚體粒級中有機碳相比，受可利用有機碳的影響更大。研究成果於2019年發表在European Journal of Soil Science。

　　以上研究也得到國家自然科學基金（41571285, 41601235）、國家留學基金委、東北地理所優秀青年基金（DLSYQ13001）和中科院青年創新促進會項目（2014205）等的聯合資助。論文信息如下：

　　1. Li LJ, Zhu-Barker X*, Ye R, Doane TA, Horwath WR*. 2018. Soil microbial biomass size and soil carbon influence the priming effect from carbon inputs depending on nitrogen availability. Soil Biology and Biochemistry. 119, 41-49. 

　　2. Li LJ*, Ye R*, Zhu-Barker X, Horwath WR. 2019. Soil microbial biomass size and nitrogen availability regulate the incorporation of residue carbon into dissolved organic pool and microbial biomass. Soil Science Society of America Journal. Doi:10.2136/sssaj2018.11.0446. 

　　3. You MY, Han XZ, Chen X, Yan J, Li N, Zou WX*, Lu XC, Li Y. Horwath WR. 2019. Effect of reduction of aggregate size on the priming effect in a Mollisol under different soil managements. European Journal of Soil Science. 70, 765-775.

 

 　　圖：土壤有機質來源CO2（CO2-SOC），外源有機物質來源CO2（CO2-Addition），激發效應（PE）與土壤活性碳組分（MBC，DOC）的主成分分析

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