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文献解读(2024.11发表)| 根际是微生物残体进入土壤碳库的热点区

日期: 2024-11-29
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文献解读(2024.11发表)| 根际是微生物残体进入土壤碳库的热点区


文献解读

原名:Rhizosphere as a hotspot for microbial necromass depositioninto the soil carbon pool

译名:根际是微生物残体进入土壤碳库的热点区

期刊:Journal of Ecology

IF: 5.3

发表日期:2024.11.15

第一作者:汪其同

背景

森林土壤是陆地生态系统最大的有机碳(SOC)库,高效发挥森林土壤碳汇功能是实现“双碳”战略目标的重要途径之一。相应地,科学认识森林土壤固碳过程与调控机制已成为当前森林生态学、土壤学领域重要的前沿基础科学问题与林业碳汇功能适应性管理的核心现实需求。近年来不断涌现的证据表明,微生物通过合成代谢而迭代积累的微生物残体很大程度上主导了SOC的长期积累和固持。其中,由于根源C持续输入在根系周围的根际微域形成了一个独特而又典型的微生物热点区,并伴随着更快的微生物生长和更强的微生物代谢活性,进而导致根际区微生物残体对长期SOC积累贡献能力比非根际区更为突出和明显。然而,目前大多研究通常将根际和非根际土壤视为一个均质有机体,而缺乏针对根际区SOC形成过程与稳定性机制的专一性试验研究,导致根际区土壤碳动态过程及其生态重要性在很大程度上未被探索和了解,已成为森林土壤碳汇功能变化认知最少且极为薄弱的关键环节之一。


基于此,中国科学院成都生物研究所尹华军研究团队通过系统收集青藏高原典型高寒针叶林39个样点的根际和非根际土壤样品(图1),量化了根际和非根际土壤中有机碳和氨基糖的浓度,并通过计算根际相对于非根际土壤中增加的氨基糖与增加的有机碳的比例(RAS/SOC),评估了微生物残体对根际SOC积累的贡献程度。同时测定了根际土壤养分浓度和微生物生理性状,以揭示多变环境下根际微生物残体对SOC积累贡献的潜在微生物调控机制。

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1  39个高寒针叶林采样点分布图


我们假设:

(1)根际土壤中微生物残体的浓度大于非根际土壤,这是由于根际沉积中富含C的不稳定基质激发了更高的微生物代谢效率;

(2)考虑到根际区植物与微生物对养分的激烈竞争,土壤养分有效性将主要决定微生物残体对根际SOC的贡献幅度,特别是在植物生长和生产力通常受到土壤养分有效性的限制的高寒森林中。


研究结果

(1)根际和非根际SOC和微生物残体的差异。根际SOC和氨基糖浓度均显著高于非根际土壤(图2)。其中,根际SOC平均浓度比非根际土壤高66.7% (图2a);根际土壤中总氨基糖、胞壁酸和氨基葡萄糖的平均浓度分别比非根际土壤高78.5%、45.9%和59.1%(图2b-d)。

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2 根际和非根际土壤有机碳、胞壁酸、氨基葡萄糖和总氨基糖浓度的差异


(2)根际微生物残体积累能力的变幅和驱动因子。相比于非根际土壤,根际土壤的氨基糖和SOC浓度分别增加了78.52%和66.69%(图3a),平均RAS/SOC为1.84,表明根际微生物残体积累速度快于SOC积累速度。同时,RAS/SOC大于1的频率高达71.9%(图3b)。此外,在所有环境因子中,RAS/SOC仅与根际土壤养分有效性呈显著正相关(图4),表明土壤养分有效性是RAS/SOC变化的主要驱动因素。

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图3 根际和非根际土壤间氨基糖和有机碳的相对变化,根际相对于非根际增加的氨基糖与增加的SOC的比值(RAS/SOC)(a);RAS/SOC的频率分布图(b)


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图4 RAS/SOC与年均温、年均降水量、根际土壤pH和根际土壤养分有效性的关系


3)根际土壤养分有效性与微生物生理属性的关系。线性回归分析显示,随着根际土壤养分有效性的增加,反映微生物生长产量的微生物CUE和生长速率显著增加(图5a,b)。反映微生物资源获取和呼吸消耗的单位生物量水解酶和氧化酶活性以及呼吸商分别随着根际土壤养分有效性的增加而降低(图5c-e)。

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5 根际微生物碳利用效率、呼吸商、生长速率以及水解酶和氧化酶潜在活性的变化依赖于根际土壤养分有效性


(4)微生物生活史策略的权衡取决于土壤养分有效性。PCA分析显示,沿第一轴,与微生物生长量和代谢投资相关的生理性状分别沿两个相反方向延伸(图6a)。Pearson相关分析也显示,与这两种策略相关的微生物生理性状之间存在负相关(图7)。这些结果清楚地反映了微生物高产与资源获取策略在同一维度上的转变。同时,根际土壤养分有效性与微生物生长量(CUE和生长率)之间存在显著的正相关关系(图6a和7)。SEM结果进一步表明,根际土壤养分有效性通过提高微生物CUE和生长速率来实现对RAS/SOC的积极影响(图6b)。这些综合结果表明,随着土壤养分有效性的增加,微生物倾向于采取高产策略。

文献解读(2024.11发表)| 根际是微生物残体进入土壤碳库的热点区

图6 微生物高产与资源获取策略的生理性状和根际土壤养分有效性的主成分分析(PCA) (a);根际土壤养分有效性如何通过影响微生物生理性状而调控RAS/SOC的结构方程模型(SEM)分析 (b)


文献解读(2024.11发表)| 根际是微生物残体进入土壤碳库的热点区

图7 根际土壤养分有效性与微生物生理性状之间的Pearson相关系数矩阵


结论

上述研究结果在区域尺度上表明根际比非根际具有更高的微生物残体积累能力,证实了根际是微生物残体积累的热点区,并充分强调了土壤养分有效性所驱动的微生物代谢策略权衡在调控根际微生物残体形成与积累中的生态重要性。

本研究成果是团队近年来关注西南高寒森林根际土壤碳汇功能与调控机制以来(Journal of Ecology, 2022; Soil Biology and Biochemistry, 2024, 2021),在该领域取得的又一重要进展。上述系列研究成果充分强调了根际在森林SOC长期固存与土壤碳汇功能适应性管理中的生态重要性,丰富和拓展了多变环境下森林土壤碳动态过程及其理论体系的科学认知。

原文链接:https://doi.org/10.1111/1365-2745.14448

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