科研 | Sci. Total. Environ.：将可溶性有机碳的化学结构和微生物群落组成与淹水引起的土壤有机碳矿化联系起来
编译：尹众，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
前人围绕淹水条件下土壤可溶性有机碳（DOC）含量和微生物活性如何调节土壤有机碳（SOC）矿化进行过大量研究。然而，很少有研究淹水条件下DOC化学结构和微生物群落组成对SOC矿化的影响。采用室内培养研究方法，我们将中国的两种主要农田土壤（潮土和黑土）置于在淹水和好气条件下培养360天，并利用元素分析仪、核磁共振仪、BIOLOG微孔板技术和16S rRNA扩增子测序技术对土壤DOC的浓度、化学结构、土壤微生物的代谢潜力和群落组成等进行了分析。
研究结果表明，淹水能够显著提升潮土的DOC含量和微生物活性以及改变DOC的化学结构。主要表现为显著提高SOC的矿化速效和总量、增加DOC含量以及改变了微生物群落组成。此外，研究还发现相比DOC浓度或DOC化学结构，微生物群落组成与SOC矿化速率之间的相关性更强。由上，对两种土壤而言，淹水导致的SOC矿化速率均与细菌群落组成有密切关系，但对于pH 较低的黑土，要准确预测其矿化速率还必须同时获知其DOC含量和化学结构信息。
论文ID
原名：Linking chemical structure of dissolved organic carbon and microbial community composition with submergence-induced soil organic carbon mineralization
译名：将可溶性有机碳的化学结构和微生物群落组成与淹水引起的土壤有机碳矿化联系起来
期刊：Science of the Total Environment
IF：6.551
发表时间：2019
第一作者：Chao Ma; Xi Chen
通讯作者：Hong-jian Gao
作者单位：安徽农业大学资源与环境学院；安徽省农田保护与污染防治重点实验室
实验设计
潮土样品取自中国北方山东省淄博县的一个农场，该地区属温带季风气候，年降水量为628 mm，年平均气温为13.9°C，土地利用方式为每年小麦-玉米双季轮作。黑土样品取自中国东北黑龙江省佳木斯县七星农场。该地区属寒带湿润季风气候，年平均降水量为516 mm，温度为1.8°，土地利用方式为单季水稻。在每个农场的20个点收集0–20 cm深度的土壤样品进行混合。
首先将土壤样品过5 mm筛并在4°C下调节土壤含水量至70%的土壤持水量，然后在30°C恒温培养箱下中预培养72 h以恢复土壤微生物的活性。我们针对两种土壤湿度（淹水和未淹水）的土壤类型使用了微宇宙的析因实验设计。通过将500 g（湿重）预培养的土壤称入500 mL塑料容器中来建立每个微宇宙。两种土壤的非淹水样品均保持70%的持水量，对于淹水组，土壤被淹没在2 cm的水下。每种处理组合重复12次，共48个样品。将每个容器放入装有5 mL水的可密封1.0 L 培养瓶中以防止土壤干燥。每个培养瓶都有一个隔膜，可以对顶部进行气体采样。将48个装有土壤的培养瓶和另外三个没有土壤的培养瓶在黑暗中于30°C培养360天。根据以前的文献，我们选择30°C作为温育温度以促进微生物活性和土壤基质的有效性，从而最大程度地增强水对SOC矿化的影响。为了确定CO2的浓度，在安装后的第3、9、15、30、60、120、180、240、300和360天，使用塑料注射器从培养瓶的顶部空间收集50 mL气体样品。培养开始后，收集气体样本后打开培养瓶以补充氧气。在培养后的第15、60、180和360天随机选择每种处理的三个样品并进行破坏性采样，以确定微生物的代谢潜力和微生物群落组成，以及检测DOC的浓度和化学结构。
结果
在360天的培养过程中，淹水和未淹水条件下潮土的碳矿化速率和累积矿化速率具有相似性。在潮土中，淹水条件和非淹水条件下的矿化速率在前15天和最后180天之间没有明显差异，但在15-60天和60-180天和整个培养过程的总差异非常显著。具体来说，与非淹水处理相比，淹水处理CO2的排放速率在15-60天和60-180天分别增加了188%和74%。培养了15天以后，淹水条件下黑土中的CO2累积量明显高于未淹水条件。
图1. 在淹水或未淹水条件下，潮土和黑土中CO2排放的速率和累积
通常，在淹水条件和非淹水条件下，潮土中DOC的平均浓度比黑土中大约高1.7倍。与非淹水条件相比，淹水条件在某些单独的采样时间内未有明显的DOC的浓度增加，但是淹水条件在整个培养过程中对潮土的影响显著。黑土DOC的1H NMR光谱结果表明，在两种土壤中，碳水化合物和多肽均占DOC的大部分（46%〜73%），其次是O-和N-取代的脂肪族（12% 〜25%），烷基（8%〜18%）以及芳烃族化合物和酚类（6%〜11%）。在潮土DOC中，淹水处理和非淹水处理之间存在显著差异，比如在180天芳烃和酚类的比例，在60天和180天碳水化合物和肽的比例以及在60天和180天时烷基的比例。淹水和未淹水处理之间黑土DOC的显著差异主要是在60天和360天的芳烃和酚类比例，15天和60天的碳水化合物和肽的比例，60天的O-N脂族化合物的比例，以及15天烷基的比例。通常，淹水会极大地改变潮土中土壤DOC的整体化学结构，但在淹水和未淹水条件下，黑土DOC的整体化学结构基本没有变化。
图2. 在淹水或未淹水条件下，潮土和黑土中DOC浓度和化学结构的变化。
根据Biolog分析测定，潮土和黑土样品中的微生物代谢潜力随时间变化显著。淹水条件下的代谢潜力明显增强，但并不是贯穿整个黑土培养期间。潮土和黑土的细菌群落组成也随时间有明显变化。此外，淹水条件下会显著改变黑土的细菌群落组成，潮土则不会。在16S rRNA测序中，淹水和未淹水条件之间潮土细菌群落的相对丰富度仅在Verrucomicrobia，Themi，Spirochaetes，Elusimicrobia和AD3中发现显著变化。另一方面，我们发现在黑土中，淹水状态和非淹水条件下的18种门类的相对丰富度度有显著变化。
图3. 分别在淹水或未淹水条件下潮土和黑土中的微生物代谢潜力和群落组成的相似度。
图4. 在淹水和未淹水条件下，潮土和黑土在各门类细菌群落相对丰富度的明显差异。
在总结了淹水条件和非淹水条件的数据后，相关分析表明，DOC的化学结构，微生物活性潜力和微生物群落组成与SOC矿化彼此相关。比如，CO2排放速率与潮土中的代谢潜力呈正相关，而与细菌群落组成的第二个主要成分呈负相关。在黑土中，CO2的排放速率与DOC的化学结构的第一主要成分呈负相关，而代谢潜力与DOC的第二主要成分呈正相关。
细菌群落组成结构模型表明，两种土壤中淹水对SOC矿化速率影响的潜在机理不一致。在潮土中，矿化速率可以通过细菌群落组成来预测 。相反，黑土中的矿化速率与DOC浓度和化学结构，细菌群落组成明显相关。潮土的微生物群落组成与DOC化学结构的第一主要成分相关，这个成分随淹水条件的不同而变化。因此，土壤中微生物群落的组成和DOC的浓度很大程度上取决于土壤的淹水条件。
图5. 淹水引起的土壤DOC和土壤微生物的变化以及淹水条件对潮土和黑土SOC矿化影响的结构模型。
结论
总而言之，这项研究表明了可溶性有机碳的化学结构和微生物群落组成与淹水引起的土壤有机碳矿化之间的联系。淹水导致的SOC矿化与两种土壤中的微生物群落组成有明显关系，并且还与低pH值下的黑土DOC浓度和化学结构相关。结果表明，在某些土壤中，DOC可以通过其浓度和化学结构调节淹水诱导的SOC矿化，但还需要研究其他土壤以阐明土壤特性将如何影响这些进程。
致谢
该项目得到了国家自然科学基金（31700452和41877099），安徽省自然科学基金（1808085MD97），安徽省科学技术重大项目（18030701188），国家重点研究发展计划（2016YFD0200107）和引进安徽省高校领军人才引进与培育计划（gxljtdzd201607）的支持。
你可能还喜欢