【摘 要】
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土壤是陆地生态系统最大的碳库,储量约为1600Pg,超过大气和陆地植被的总和。因此,全球土壤有机碳(SOC)库中细微的变化可能会显著改变陆地和大气环境中的碳平衡。土壤微生物在陆地碳循环中至关重要,微生物的生长、活性及其与环境的相互作用,在很大程度上控制不同来源有机碳的转化和命运。土壤碳储量反映了有机碳的微生物分解与微生物同化碳稳定之间的平衡。研究SOC的微生物降解及其调控因素对提升陆地生态系统有机
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土壤是陆地生态系统最大的碳库,储量约为1600Pg,超过大气和陆地植被的总和。因此,全球土壤有机碳(SOC)库中细微的变化可能会显著改变陆地和大气环境中的碳平衡。土壤微生物在陆地碳循环中至关重要,微生物的生长、活性及其与环境的相互作用,在很大程度上控制不同来源有机碳的转化和命运。土壤碳储量反映了有机碳的微生物分解与微生物同化碳稳定之间的平衡。研究SOC的微生物降解及其调控因素对提升陆地生态系统有机质固存,减少二氧化碳排放,积极应对未来气候变化等方面具有重要意义。本研究采集中国东部从南到北(海南乐东LD 18.69°、海南东方DF 19.08°、广东广州GZ 23.39°、湖南祁阳QY 26.76°、湖北武穴WX 30.18°、山东济南JN 34.97°、辽宁沈阳SY 42.05°、黑龙江海伦HL 47.45°)共8个不同地点且相邻的旱地、水田和林地土壤样品共72个,通过测定土壤呼吸、碳降解酶活、碳降解功能基因,和细菌真菌群落,探究了中国东部区域尺度下不同生态系统下气候因子、土壤理化性质以及微生物群落对土壤有机碳降解的影响。首先是优势菌门的探究。通过对三种生态系统的土壤微生物群落进行高通量测序,发现细菌群落中优势类群为放线菌门(Actinobacteriota)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和酸杆菌门(Acidobacteriota)等,真菌中为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)和毛霉菌门(Mortierellomycota)等。微生物群落多样性均受采样地点和生态系统类型的共同影响;细菌的多样性变化主要与土壤理化性质,如p H和微生物生物量碳(MBC),显著相关,气候因素中降水是影响细菌群落的关键因子,而真菌多样性则同时受年均温和降水的显著影响,与土壤MBC和土壤含水量(MOI)也呈显著正相关关系。微生物互作水田和林地较旱地更为复杂。共发生网络分析表明,水田和林地土壤的微生物互作更为复杂,表现在其拓扑结构值中节点和边的数量显著高于旱地生态系统,其中森林生态系统网络包含256个节点和1965条边,水田包含269个节点1869条边,而旱地包含208个节点630条边,且森林和水田的网络聚类系数更大,分别为0.53和0.52,而旱地的聚类系数为0.44。对碳降解指标的分析发现,水田土壤中淀粉和木质素降解相关功能基因丰度显著高于旱地和林地,旱地纤维素降解相关基因的丰度最高,林地功能基因的丰度最小;9种酶整体表现出从南到北活性逐渐升高。呼吸强度只在地点间差异显著,济南(JN)最高,其次为沈阳(SY),剩余地点呼吸强度无明显差异。碳降解综合指标在不同生境下有显著差异(P=0.012),而在不同地点间无显著差异(P=0.153)。微生物多样性和互作模块相对丰度对碳降解功能解释度最大。线性回归分析表明,有效磷与从南到北不同地点间的细菌-真菌互作网络的介中心度有显著负相关关系,与土壤呼吸以及碳降解功能基因丰度呈显著正相关。方差分解分析表明,微生物多样性(20%)和微生物互作网络的模块丰度(17%)对整体碳降解多功能指标的贡献度最大,因此土壤有效磷作为重要的养分限制因素可能通过调控微生物群落互作或生态位分化进而影响土壤碳分解过程。最后是不同生态系统碳降解模型探究。考虑到总有机碳降解指标在不同生态系统中也存在显著差异,我们采用结合结构方程模型(SEM)进一步分别分析旱地农田、森林和水田的碳分解规律,发现旱地土壤中,真菌是碳降解功能的直接影响者;真菌的群落组成、降水、土壤有效磷(AP)含量直接调控旱地的碳降解功能,同时气候、土壤理化性质、细菌群落也可通过影响真菌群落组成间接调控旱地碳降解功能。林地土壤中,总碳降解功能并不受到任何单一生物因素和非生物因素调控,但反映微生物互作群体的模块能直接调控林地碳分解酶活,不仅如此,酶活还同时受到温度、降水、p H、含水率的负调控,受有效磷含量的直接正调控;而呼吸作用与MBC直接相关。水田土壤的碳降解功能受生物因素(如真菌组成、细菌多样性、微生物互作)和非生物因素(如温度、AP、MOI、MBC等)直接调控较旱地林地更为明显,微生物调控具体表现在微生物网络模块通过改变功能基因丰度影响土壤酶活。
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