水曲柳根系分泌物对土壤有机碳的激发效应

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根系分泌物是森林土壤有机碳库的主要来源,可引起根际范围土壤有机碳的激发效应,导致土壤有机碳的丢失。深入研究根系分泌物在土壤有机碳激发中的作用,对认识土壤碳循环规律,提高森林土壤固碳能力具有重要意义。由于土壤有机碳激发过程的复杂性,关于不同种类根系分泌物对土壤有机碳激发效应的作用,以及引起激发效应的机制尚缺乏了解。本文以我国东北地区的珍贵用材树种水曲柳(Fraxinus mandshurica)为研究对象,通过水曲柳根系分泌物的定性定量分析、不同根系分泌物对土壤有机碳激发效应作用的研究,探讨了水曲柳根系分泌物对土壤有机碳的激发效应及作用机制,主要结果如下:(1)通过定性和定量分析,在水曲柳幼苗根系分泌物中共发现219种化合物,不同采集时间的水曲柳根系分泌物中,次生代谢产物差异显著,糖类化合物、氨基酸和有机酸种类差异不显著;在根系分泌12 h时,含量最高的糖类、氨基酸类和有机酸类化合物分别为葡萄糖(136.93μg/m L)、甘氨酸(20.66 nmol/m L)与丙二酸(33.68μg/m L)。(2)将葡萄糖、甘氨酸与丙二酸三种水曲柳根系分泌物的模拟化合物添加到土壤后,土壤有机碳均产生了强烈的正激发效应。三种根系分泌物土壤激发效应的峰值均发生在第1 d;葡萄糖矿化效应的峰值发生在第1 d,而甘氨酸与丙二酸则是发生在第3d。葡萄糖的初始激发效应与初始矿化效应均显著大于甘氨酸和丙二酸,累积激发效应的大小依次为:丙二酸>甘氨酸>葡萄糖,底物累积矿化效应的大小为:甘氨酸>丙二酸>葡萄糖。(3)三种水曲柳根系分泌物的模拟化合物添加到土壤后,均可提高土壤的CO2释放量,导致土壤有机碳产生正激发效应,同时引起土壤DOC、土壤MBC、土壤MBN等指标发生变化。但这三种物质的影响趋势表现不同,葡萄糖和丙二酸添加对土壤p H无显著影响,但均增加了土壤DOC及矿质氮含量,葡萄糖降低了土壤有效磷含量,丙二酸对土壤有效磷含量无显著影响;而甘氨酸提高了土壤的p H,增加了土壤DOC及矿质氮含量,降低了土壤有效磷、土壤MBC和土壤MBN的含量。(4)三种水曲柳根系分泌物的模拟化合物添加到土壤后,并未改变土壤微生物群落的整体菌群组成,但在不同培养阶段,三种根系分泌物均引起了土壤细菌群落与真菌群落相对丰度和多样性的动态变化。在培养初期,葡萄糖和丙二酸显著增加了放线菌门(Actinobacteria)细菌的相对丰度,甘氨酸显著增加了厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度;在培养中期,葡萄糖和甘氨酸显著增加了变形菌门(Proteobacteria)、疣微菌门(Verracomicrobia)等细菌的相对丰度,丙二酸则显著增加了变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)细菌的相对丰度;在培养末期,葡萄糖显著增加了变形菌门(Proteobacteria)、疣微菌门(Verracomicrobia)等细菌的相对丰度,甘氨酸显著增加了厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)细菌的相对丰度,丙二酸仅显著增加了放线菌门(Actinobacteria)细菌的相对丰度。此外,葡萄糖和甘氨酸在培养初期均显著增加了担子菌门(Basidiomycota)和毛霉门(Mucoromycota)真菌的相对丰度,在培养中后期均显著增加了子囊菌门(Ascomycota)真菌的相对丰度;而丙二酸类在培养过程中只显著增加了子囊菌门(Ascomycota)真菌的相对丰度。总体来说,在土壤有机碳激发过程中,细菌和真菌是通过共代谢的方式引起激发效应的产生,其主要是细菌菌群起主导作用,真菌菌群则起辅助作用。综上,葡萄糖、甘氨酸与丙二酸三种水曲柳根系分泌物添加到土壤后,均产生了强烈的正激发效应,提高了土壤CO2呼吸作用。三种根系分泌物均改变了土壤微生物群落中部分菌群的相对丰度及菌群的多样性,且对土壤有机碳产生了不同程度的激发效应,表明水曲柳根系分泌物可通过微生物群落的改变介导土壤有机碳激发效应的产生。三种根系分泌物的作用机制可能为:能量诱导的SOM矿化胞外酶合成机制。
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