近日，水土保持研究所安韶山研究員團隊聯(lián)合德國哥廷根大學(xué)（Georg-August-University of Goettingen）、中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所等單位，在土壤科學(xué)領(lǐng)域著(zhù)名期刊Soil Biology and Biochemistry上發(fā)表相關(guān)研究論文。
生物土壤結皮覆蓋了全球1790萬(wàn)平方公里的面積（大約占到12%的地球陸地面積），其形成加速了干旱和半干旱地區以及寒冷環(huán)境中碳和營(yíng)養物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。最近越來(lái)越多的證據表明微生物殘體是良好發(fā)育土壤有機碳（SOC）的主要來(lái)源。當前關(guān)于初始土壤（生物結皮覆蓋）形成過(guò)程中微生物殘體對SOC形成的貢獻，以及驅動(dòng)微生物殘體積累、分解和穩定因素的定量信息尚不清晰，這極大地限制了我們對于荒漠生態(tài)系統微生物介導下碳循環(huán)過(guò)程的理解。
為了解決這一知識空白，本研究基于黃土高原沙質(zhì)土壤裸沙、藻結皮、藻-苔蘚結皮、苔蘚-藻結皮和苔蘚結皮五個(gè)階段組成的生物土壤結皮形成序列，研究了土壤微生物殘體含量的變化特征、對SOC積累的貢獻及其環(huán)境調控因子。研究表明，微生物殘體是黃土高原沙質(zhì)土壤有機碳的重要來(lái)源（圖1），通過(guò)形成顆粒態(tài)有機碳(POC)和礦物結合態(tài)有機碳庫(MAOC)貢獻SOC的增加。由于細菌具有比真菌更小更薄的細胞壁碎片以及更多的蛋白質(zhì)，細菌殘體主要貢獻MAOC庫，而真菌殘體在POC中更為豐富。在最初的土壤形成過(guò)程中，MAOC隨著(zhù)微生物殘體的增加而趨于飽和且POC的積累比MAOC快（圖2），這表明粘粒含量（< 2%）是這種黃土高原沙質(zhì)土壤中穩定碳積累的重要限制因素。超過(guò)MAOC穩定水平的微生物殘體，尤其真菌殘體，被儲存在不穩定的POC庫中。
圖1 生物土壤結皮形成序列中微生物殘體含量的變化特征及其對有機碳積累的貢獻
圖2 土壤微生物殘體與MAOC和POC、粘粒+粉粒以及土壤有機碳與POC/MAOC之間的關(guān)系
四種土壤胞外酶（即β-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和堿性磷酸酶）的活性隨著(zhù)真菌和細菌殘體的增加而增加，表明活微生物活性的提高加速了殘體物質(zhì)的周轉和形成。生物土壤結皮形成序列中微生物的氮（N）限制促進(jìn)了微生物釋放的N獲取酶（如β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶）產(chǎn)量的增加，以分解微生物殘體貢獻土壤溶液中養分的增加（圖3）。在生物土壤結皮形成序列中，微生物N限制的逐漸降低也是初始土壤形成過(guò)程中微生物殘體積累的重要因素。微生物N限制和粘粒保護的缺乏使微生物對殘體物質(zhì)快速再利用，導致低的微生物殘體積累系數（即微生物殘體物質(zhì)與活體微生物生物量的比值，生物土壤結皮平均為9.6）。因此，在生物土壤結皮形成序列的沙質(zhì)土壤中，微生物殘體物質(zhì)對SOC的貢獻低于完全發(fā)育的土壤（33%-60%，基于文獻數據）。微生物N限制、N-獲取酶活性與微生物生物量N之間的比例增加、粘粒保護的缺乏和MAOC的飽和（圖4），導致了生物結皮覆蓋的沙質(zhì)土壤中微生物殘體物質(zhì)對SOC的貢獻較低。
圖3影響土壤微生物殘體含量的主要因素
圖4 生物土壤結皮形成過(guò)程中微生物殘體的保存、分解和穩定及其對有機碳積累的貢獻機制
水保所王寶榮博士為論文第一作者，安韶山研究員為通訊作者，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗室為第一單位。該研究工作得到了國家自然科學(xué)面上基金（41877074和42077072）等項目的聯(lián)合資助。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071722000645
