长期升温与大气CO2浓度增加对水稻土有机碳稳定性及微生物群落变化的影响

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以升温和CO2浓度增加为特征的气候变化对稻田土壤有机碳动态有显著影响,而土壤有机碳的保持与稳定对气候变化具有巨大的反馈作用。因此,研究气候变化对土壤有机碳组分及稳定性的影响,并从微生物生态的角度探索微生物残留物在有机碳积累中的作用,为准确评估未来气候变化条件下稻田土壤的固碳潜力提供依据。本研究以太湖地区长期模拟气候变化处理的水稻土为研究对象,田间试验设置4个处理:以环境条件作为对照(CK),大气CO2浓度升高500 mg·kg-1(CE),温度(作物冠层)在环境基础上升高2℃(WA),大气CO2浓度升高500 mg·kg-1和升温2℃(CW)。采集表层(0~15 cm)土壤进行室内培养试验,研究了长期升温和大气CO2浓度增加背景下水分条件对土壤有机碳矿化的影响,并通过分析土壤氨基糖的变化,探究了长期升温和大气CO2浓度增加背景下稻田土壤微生物来源碳积累及其对土壤有机碳积累贡献;进一步采用高通量的方法分析了微生物群落变化及其与土壤微生物残体的关系,从而揭示长期气候变化对水稻土有机碳稳定性及固碳潜力的影响。主要研究结果如下:1、长期升温和大气CO2浓度增加影响土壤有机碳矿化强度。土壤有机碳矿化量随水分变化基本呈现先增加后降低的趋势,有机碳矿化速率在小于50%WHC条件下随含水量增加而增加,而大于50%WHC时随含水量增加而降低;相同含水量条件下,CE、WA和CW处理的CO2产生量均小于CK处理。2、长期升温和大气CO2浓度增加影响下土壤有机碳矿化对水分的敏感性不同。四个处理对水分含量变化的敏感性不尽相同,与CK处理相比,在高水分含量条件下,CE,WA,CW处理的土壤有机碳矿化对水分的敏感性分别降低76.3%、8.7%和85.2%;而在低含水量条件下,三个处理的水分敏感性分别增加62.4%、10.3%和 22.1%。3、长期升温和大气CO2浓度增加显著影响土壤氨基糖及其各组分的含量。与CK处理相比,CE处理中氨基糖总含量以及各组分含量显著升高6.5%~28.9%;WA处理中总氨基糖含量、氨基葡萄糖的积累无显著影响,但胞壁酸含量显著增加22.1%~29.1%;CW处理中总氨基糖及各组分氨基糖含量均显著增加17.3~39.98%。微生物残体碳对土壤有机碳的贡献受长期升温和大气中CO2浓度增加的影响。与CK相比,CE处理通过增加真菌衍生碳的积累显著增加了微生物残体碳对土壤有机碳库的贡献;WA处理显著增加了细菌衍生碳在有机碳中的比例,但总微生物残体碳对土壤有机碳库的贡献无显著变化;CW处理总微生物残留物、真菌残留物对土壤有机碳储量的贡献没有变化。4、长期升温和大气CO2浓度增加显著影响了全土及团聚体间细菌和真菌的群落结构。与CK处理相比,CE、WA和CW处理全土细菌的OTUs和Chao1指数均显著增加,分别为2.23~2.55%和1.13~3.11%;而真菌的OTUs和Chao1指数均显著下降10.21~14.59%和4.31~10.49%。同一处理中不同粒径团聚体间OTUs和Chao1指数存在显著差异。CK、CE和WA处理中大团聚体中细菌的OTUs和Chao1指数均高于微团聚体和粉黏粒组分,CW处理则表现为微团聚体和粉黏粒组分大于大团聚体组分;CK和CE处理中真菌的OTUs和Chao1指数均表现为大团聚体组分最高,但WA和CW处理则表现为粉黏粒组分中最高。长期气候条件变化显著影响了土壤团聚体中微生物主要门水平的相对丰度。与CK处理相比,CE处理对大、微团聚体中变形菌门和担子菌门的相对丰度分别显著降低了 8.44%和52.31、24.35%和52.09%;WA处理对粉黏粒组分中变形菌门和担子菌门的相对丰度分别降低了12.66%和58.21%;而CW处理对微团聚体中酸杆菌门的相对丰度显著增加了12.05%,但降低了子囊菌门和担子菌门的相对丰度,分别为11.32%和54.03%。综上所述,长期升温和大气CO2浓度增加可以显著改变土壤有机碳组分及其稳定性。在未来水分格局变化条件下,低土壤水分含量将有助于降低有机碳分解,而微生物群落结构变化以及土壤稳定性组分(微生物残体碳)在CO2与升温条件下的积累,可能有助于土壤有机碳稳定性增加,但长期升温和大气CO2浓度增加条件下的土壤有机碳稳定性的变化与微生物的具体作用机制仍需要进一步研究。
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