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沈陽生態(tài)所在土壤微生物殘留物存留機(jī)理研究取得重要進(jìn)展
微生物不僅是土壤有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動(dòng)者，其死亡后形成的殘留物更是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源。當(dāng)前研究認(rèn)為，土壤黏粒礦物通過物理隔絕和吸附等過程，調(diào)控微生物殘留物在土壤中的存留。然而，這一礦物介導(dǎo)的穩(wěn)定機(jī)制仍缺乏直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其在微觀尺度上的調(diào)控方式仍不清楚。闡明土壤礦物與微生物殘留物的微觀相互作用機(jī)制，可為改進(jìn)地球系統(tǒng)模型中微生物對土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的表征提供機(jī)制基礎(chǔ)。
基于此，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所王超研究團(tuán)隊(duì)，利用不同黏粒含量的人工土壤，結(jié)合高豐度(13C和15N)標(biāo)記的微生物殘留物，在長白山森林開展了殘留物分解和穩(wěn)定過程實(shí)驗(yàn)(圖1)。進(jìn)一步通過微生物高通量測序、二次納米離子質(zhì)譜和掃描電鏡分析，解析了土壤黏粒含量對殘留物穩(wěn)定性的影響機(jī)制以及微觀尺度上土壤礦物和微生物殘留物的空間分布格局。
圖1:黏粒梯度土壤和高同位素豐度殘?bào)w制備以及野外原位分解流程
野外分解實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，土壤黏粒含量顯著影響微生物殘?bào)w在土壤中的去向。高黏粒土壤中，微生物殘留物的分解速度明顯降低，其通過氣態(tài)釋放和淋洗造成的損失顯著減少，殘留物在土壤中的保留比例顯著提高。相比之下，在低黏粒土壤中，微生物殘留物更易被快速分解和淋洗并從土壤中流失(圖2-3)。
圖2:微生物殘留物存留量與黏粒含量關(guān)系
圖3:微生物殘留物去向與黏粒含量關(guān)系
為了明確土壤黏粒含量如何驅(qū)動(dòng)微生物殘留物穩(wěn)定，研究分析了殘留物存留量與微生物群落特征及土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，高黏粒含量土壤具有更高的含水量，可降低底物擴(kuò)散限制并提升微生物養(yǎng)分的利用效率;同時(shí)，較高的水分含量降低了土壤空氣孔隙度并限制氧氣擴(kuò)散，從而抑制微生物活性、呼吸作用及殘留物分解。此外，氧氣受限條件還導(dǎo)致細(xì)菌多樣性下降以及厚壁菌門、放線菌門等參與殘留物分解的類群的豐度降低。因此，黏粒含量通過改變土壤水分狀況、氧氣條件及微生物活動(dòng)，間接調(diào)控微生物殘留物的穩(wěn)定性(圖4)。
圖4:微生物殘留物保存的驅(qū)動(dòng)因素
為了闡明土壤礦物與微生物殘留物的微觀尺度上的相互作用機(jī)制，進(jìn)一步分析了新加入的標(biāo)記殘留物、本底有機(jī)質(zhì)以及土壤礦物之間的空間分布關(guān)系。結(jié)果表明，新加入的微生物殘留物主要分布在本地有機(jī)質(zhì)覆蓋的礦物表面，而僅有少量出現(xiàn)在裸露礦物表面。與光滑礦物表面相比，粗糙的礦物表面富含羥基、氧化物和水合層等活性位點(diǎn)，本底有機(jī)質(zhì)優(yōu)先吸附在這些表面。因此，盡管只有部分的土壤礦物表面直接參與了殘留物的保存，但其可通過礦物-有機(jī)質(zhì)-殘留物結(jié)合機(jī)制，形成多層、洋蔥狀結(jié)構(gòu)，從而穩(wěn)定大量微生物殘留物(圖5)。
圖5:礦物表面微生物殘留物和本底有機(jī)質(zhì)的分布情況
綜上，本研究揭示了土壤黏粒含量通過調(diào)控有機(jī)質(zhì)-礦物界面相互作用、微生物生理活性以及淋溶過程，協(xié)同控制微生物殘留物的穩(wěn)定性，明確了微觀尺度上土壤礦物和微生物殘留物的空間分布格局，提出了土壤礦物表面發(fā)生的有機(jī)-有機(jī)相互作用是新殘留物積累的關(guān)鍵途徑。
該研究成果以“Clay-organic matter interactions drive microbial necromass preservation in soils” 為題發(fā)表在Nature communications期刊。中國科學(xué)院沈陽生態(tài)所助理研究員王旭為第一作者，王超研究員為通訊作者。合作者還有加拿大麥吉爾大學(xué)Cynthia M. Kallenbach教授、美國耶魯大學(xué)Maya Almaraz教授、美國俄勒岡州立大學(xué)Katerina Georgiou教授、東北師范大學(xué)白娥教授等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目優(yōu)青項(xiàng)目和青年基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國科學(xué)院國際合作項(xiàng)目等的支持。前期，研究團(tuán)隊(duì)在微生物殘留物的原位分解速率(Wang et al., 2020,SBB)、溫度對殘留物分解的影響(Wang et al., 2020, GCB)和土壤礦物類型與殘?bào)w分解的關(guān)系(Wang et al., 2024, GCB)取得了系列研究成果。
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