水稻光合碳和微生物同化碳的礦化特徵及其激發效應獲新進展

2020-12-08 中國科學院大學新聞網

      由中科院亞熱帶農業生態研究所吳金水研究員領銜的農業生態過程方向研究團隊近日在水稻光合碳和微生物同化碳的礦化特徵及其激發效應獲新進展。

　　土壤有機碳絕大部分來自光合碳的輸入與轉化，光合碳通過根系周轉與根系分泌物（根際沉積作用）等進入土壤碳庫。來源於根系分泌物及其脫落物的根際沉積碳，由於其代謝周轉快，具有複雜性和多變性，目前已有的一些研究尚未能明確這部分碳的礦化特徵。而且，微生物可以通過多條固碳途徑進行CO2同化，並形成土壤有機質，對土壤固碳起著重要作用。但是，目前少有研究系統闡述不同來源的光合碳和微生物同化碳輸入土壤後的礦化特徵及其對土壤原有有機質周轉的影響（激發效應）。

　　基於此，該團隊在前期研究的基礎上，採用碳同位素方法結合二元混合模型（two end-member mixing model），模擬不同來源的「新碳」在（13C-標記的水稻秸稈、根系、根際沉積碳以及微生物同化碳）在水稻土中的礦化分解特性及其激發效應。結果表明，儘管土壤中輸入水稻秸稈和根系的碳量大於根際沉積碳以及微生物同化碳，但是300天培養試驗結束後，根系（45.5%）和秸稈（31.9%）的礦化率顯著大於根際沉積碳（7.9%）和微生物同化碳（7.7%）；同時，根系和秸稈在土壤中的平均持留時間（mean residence time）是39.5天和50.3天，而根際沉積碳（66.3天），尤其是微生物同化碳的持留時間是195天，是根系和秸稈的4-5倍，說明根際沉積碳和微生物同化碳在土壤中由於表現出了較低的礦化速率和較長保留時間使得它們對土壤有機質的累積的效應更強。此外，水稻根系、秸稈的輸入促進了土壤原有有機質的礦化（正激發效應），而根際沉積碳以及微生物同化碳則抑制了原有有機質的分解，進一步說明了土壤微生物同化碳在水稻土中的固碳效應要比其他三種光合碳（秸稈、根系和根際沉積碳）效果好，其貢獻遠大於他們碳同化量的差異。該研究為深入解析水稻土碳循環以及土壤微生物固碳潛力提供了重要的理論基礎。

　　該研究成果近期以題為Fate of rice shoot and root residues, rhizodeposits, and microbe-assimilated carbon in paddy soil–Part 1: Decomposition and priming effect發表在Biogeosciences上。該研究得到了中國科學院亞熱帶農業生態研究所公共技術服務中心的大力支持，該研究得到了國家自然科學基金委、中科院先導專項、高端外國專家項目等的資助。

　　論文連結：1

圖1 水稻秸稈、根系、根際沉積碳以及微生物同化碳在300天培養試驗後的累積礦化率（A）及其在水稻土中的平均持留時間（B）

相關焦點

  • 亞熱帶生態所在稻田土壤生物固碳機制研究中獲系列進展
    ，聚焦於典型稻田生態系統的生物固碳過程與機制，從水稻光合碳的輸入、轉化（圖2）及其土壤微生物固碳功能及其生物學機制（圖3）兩方面開展工作，取得了一系列重要進展。結果表明，在水稻拔節灌漿期內，通過水稻的根際沉積作用，有4-6%的光合碳進入土壤有機碳庫，這部分新碳對土壤可溶性有機碳的貢獻為2-4%，對土壤微生物生物量碳的貢獻為9-18%。
  • 水稻光合碳輸入及其穩定機制對水分管理和施氮的響應研究獲進展
    由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水領銜的農業生態過程方向研究團隊近日在水稻光合碳輸入及其穩定機制對水分管理和施氮的響應方面取得了新進展。　　光合碳是「大氣-植物-土壤」系統碳循環的重要組成部分，也是土壤有機碳的重要來源，光合碳通過根系周轉與根系分泌物等進入土壤碳庫，對維持稻田土壤的碳匯功能起到了十分重要的作用。
  • 土壤中親水和疏水性有機碳礦化與激發效應的微生物機制研究獲進展
    土壤可溶性有機質是土壤有機碳分解礦化的重要中間形態，也是微生物主要的能量來源。將可溶性有機質區分為親水性和疏水性兩類不同性質的化合物，有助於闡明土壤有機質的微生物分解機制。近期，中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員蘇以榮團隊以13C-標記秸稈中提取的親水、疏水可溶性有機碳為材料，研究了親水、疏水可溶性有機碳在兩種不同土壤（旱地和水田）中的礦化及激發效應。
  • 土壤中親水和疏水性有機碳礦化與激發效應的微生物機制研究進展
    土壤可溶性有機質是土壤有機碳分解礦化的重要中間形態，也是微生物主要的能量來源。將可溶性有機質區分為親水性和疏水性兩類不同性質的化合物，有助於闡明土壤有機質的微生物分解機制。中國科學院亞熱帶農業生態研究所蘇以榮研究員團隊以13C-標記秸稈中提取的親水、疏水可溶性有機碳為材料，研究了親水、疏水可溶性有機碳在兩種不同土壤（旱地和水田）中的礦化及激發效應。
  • 土壤有機質礦化研究獲系列進展
    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。
  • 不同微生物生物量水稻土有機碳礦化對鐵氧化物的響應研究獲進展
    長期淹水管理導致水稻土多處於厭氧狀態，因此其有機碳礦化過程及其關鍵影響因子與旱地土壤相比具有特殊性。厭氧有機碳礦化多與氧化還原過程耦合，其中鐵的異化還原對厭氧有機碳礦化的貢獻可高達80%，這過程中涉及到許多特殊的功能微生物，土壤微生物生物量不同意味著這些功能微生物群落大小上的差異。然而，土壤微生物生物量大小是否或者如何影響水稻土厭氧有機碳礦化及其對不同晶型鐵氧化物的響應仍不清楚。
  • 中科院趨磁細菌生物控制礦化機理研究取得新進展
    中科院趨磁細菌生物控制礦化機理研究取得新進展 來源：中國科學院   發布者：管理員   日期：2015-01-05   今日/總瀏覽：1/3128
  • 武漢植物園在亞熱帶森林土壤激發效應和碳固持研究中取得進展
    外源碳輸入的改變（數量和質量）是當前全球變化過程的重要表現形式。外源碳輸入土壤後一方面可刺激土壤原有有機碳的礦化（激發效應），另一方面可被微生物固持形成新的土壤有機碳，從而影響土壤碳平衡過程。近期，中國科學院武漢植物園全球變化生態學學科組科研人員以八大公山亞熱帶森林土壤為研究對象，對表層和深層土壤進行外源碳、氮的添加實驗，分析土壤中「老」碳礦化和「新」碳固持的過程。結果表明，外源碳添加促進了土壤有機碳的礦化，產生正激發效應。氮有效性提高降低激發作用強度，這與微生物對碳利用效率提高有關。
  • 水稻根際和非根際土微生物碳源利用效率對施肥的響應研究獲進展
    陸地生態系統中，微生物在調控碳循環過程中扮演著兩種截然不同的角色：1）通過分解代謝作用使有機物礦化向大氣釋放CO2；2）將非穩態的有機碳通過微生物「碳泵」的形式不斷形成穩定態有機碳庫。微生物這種分解代謝與合成代謝的相對過程強弱可以通過碳源利用效率（CUE）反映，其決定了土壤中碳周轉的去向。
  • 揭示不同活性碳輸入量對稻田土壤有機碳礦化激發效應的影響機制
    一般認為，激發效應的產生，是由於外源碳輸入導致土壤微生物C-N計量學上的不平衡，驅使微生物加快分解SOM以獲取更多的N——這稱為「N-mining」假說。然而，激發效應可能隨土壤活性碳輸入量的增加而改變其強度甚至方向（即由正激發變為負激發效應）；在不同碳輸入量下，激發效應的機制是否都可用「N-mining」假說加以解釋，至今尚難定論。
  • 水稻土碳氮循環關鍵酶動力學特徵及其溫度敏感性對外源碳添加的...
    亞熱帶地區是水稻主產區之一，高強度的人為耕作幹擾使水稻土物理化學生物特性與旱地土存在顯著差異。已有研究表明水稻土是全球重要的碳匯，但升溫造成溫室氣體（如CO2和CH4）排放增加，產生進一步的溫室效應，這種正反饋作用不容忽視。 　　溫度敏感性往往用溫度變化10℃反應速率的相對變化（Fractional changes）來表示，即Q10值。
  • 城市環境所在光催化耦合微生物同步降解抗生素及機理分析方面獲進展
    城市環境所在光催化耦合微生物同步降解抗生素及機理分析方面獲進展 2019-02-15 城市環境研究所 語音播報 　　近期，中國科學院城市環境研究所城市汙染物轉化重點實驗室在光催化耦合微生物同步降解抗生素及機理分析方面取得新進展
  • 不同微生物生物量水稻土有機碳礦化對鐵氧化物的響應研究取得進展
    長期淹水管理導致水稻土多處於厭氧狀態，因此其有機碳礦化過程及其關鍵影響因子與旱地土壤相比具有特殊性。厭氧有機碳礦化多與氧化還原過程耦合，其中鐵的異化還原對厭氧有機碳礦化的貢獻可高達80%，這過程中涉及到許多特殊的功能微生物，土壤微生物生物量不同意味著這些功能微生物群落大小上的差異，然而，土壤微生物生物量大小是否或者如何影響水稻土厭氧有機碳礦化及其對不同晶型鐵氧化物的響應仍不清楚。
  • 模擬生物礦化合成碳酸鈣礦物材料研究獲重要進展
    首頁 » 人物 » 模擬生物礦化合成碳酸鈣礦物材料研究獲重要進展 模擬生物礦化合成碳酸鈣礦物材料研究獲重要進展 來源：合肥微尺度物質科學國家實驗室
  • 姚俊:金屬礦山微生物地球化學原位礦化修復研究進展
    * 2008年9月8日，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業有限公司尾礦庫發生特別重大潰壩事故，造成300餘人傷亡。* 2009年8月29日5時和8月30日7時，陝西省漢陰縣黃龍金礦尾礦庫排洪涵洞尾部相繼發生兩處塌陷。
  • 礦化膠原材料及其在口腔臨床中應用研究進展
    礦化膠原作為一種優良的人工骨材料逐漸從一眾植骨材料中脫穎而出。礦化膠原材料多由仿生學方法在體外製備而成，是一種在結構與成分上與人體骨高度相似的新型有效的人工植骨材料。礦化膠原材料促進成骨分化能力及其在體內產生的微環境變化，如影響巨噬細胞的極化方向等，都是目前研究的熱點。
  • 亞熱帶生態所發現水稻根際酶活性時空動態穩定機制
    由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水領銜的農業生態過程方向研究團隊近日於水稻根際酶活時空動態穩定機制及其對溫度和水稻生長的響應研究取得新進展。　　根際是土壤微生物活動最為重要的「熱區」，是土壤-微生物-植物根系之間互相作用關係最為密集的區域。
  • 水稻土有機碳礦化的關鍵限速因子及其機制研究取得新進展
    水稻土乾濕交替的特殊水分管理方式，導致水稻土物理、化學和生物條件與旱地土壤和溼地土壤迥異，而水稻土的有機碳礦化過程以及其中關鍵作用因子是否會因水分管理引起的氧氣條件變化而改變，目前仍未有定論。因此，中國科學院亞熱帶農業生態研究所吳金水研究員團隊通過對水稻土進行氯仿燻蒸和不燻蒸處理形成土壤微生物生物量差異，並設置了乾濕交替（0-30天不淹水，氧氣充足；31-78天淹水，氧氣受限）、持續淹水（氧氣受限）和厭氧淹水（氮氣排空空氣，無氧氣）三種水分條件進行78天的培養實驗。
  • 研究解析高CO2濃度條件下參與大豆光合碳轉化和殘體降解的細菌群落...
    大氣二氧化碳（CO2）濃度升高可促進植物的光合作用過程，改變植物光合碳向土壤中釋放的質和量，進而顯著地影響陸地生態系統的碳儲量。光合碳進入土壤後經土壤微生物途徑向不同方向轉化，因此，微生物對植物光合碳向陸地生態系統碳分配具有重要作用。
  • 論文｜土壤酶及其生態指示作用研究進展
    土壤酶催化生物地球化學反應的進行，推動著土壤中的物質轉化、元素循環和能量流動，促進有機質的礦化和有機汙染物的降解，與土壤肥力質量和土壤健康質量緊密聯繫，指示土壤生態系統功能。、動物和植物，其中大部分來源於植物及土壤微生物，少量來源於蚯蚓、螞蟻等土壤動物。