鄧先智,類(lèi)延寶,沈 杰,李 楊,李露航,包寒陽(yáng),扎瓊巴,Ｐｌｅｎｋｏｖｉｃ ′ ￣Ｍｏｒａｊ 孫 庚,*

1中國(guó)-克羅地亞生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,成都 610041 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 101408 3 西南民族大學(xué)青藏高原研究院,成都 610041 4 扎瓊倉(cāng)生態(tài)文化交流中心,若爾蓋 747205 5 克羅地亞薩格勒布大學(xué)理學(xué)院生物系,薩格勒布 10000

青藏高原作為我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障區(qū),具有水源涵養(yǎng)、土壤保持和生物多樣性保護(hù)等核心功能[1],但其脆弱的生態(tài)環(huán)境對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)干擾極為敏感[2—3]。近年來(lái),高寒草地退化面積每年增加5%—10%[4],退化草地面積已達(dá)到2920萬(wàn)hm2,占青藏高原草地總面積的38.8%[5]。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳貯蓄庫(kù)[6—7],退化導(dǎo)致草地生產(chǎn)力下降[8]、土壤養(yǎng)分流失,碳儲(chǔ)量急劇下降[9],進(jìn)而嚴(yán)重影響牧區(qū)的經(jīng)濟(jì)生活和草地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。最近研究發(fā)現(xiàn),退化草地表現(xiàn)出巨大的固碳潛力[10],可通過(guò)促進(jìn)退化草地的恢復(fù)來(lái)提升土壤固碳效應(yīng)[11],這為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了新的途徑。

土壤有機(jī)碳的來(lái)源與組成十分復(fù)雜[12],目前關(guān)于土壤有機(jī)碳的形成過(guò)程逐漸從過(guò)去的腐殖質(zhì)理論轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注微生物的轉(zhuǎn)化與調(diào)控作用[13—15]。在碳循環(huán)過(guò)程中,土壤微生物具有雙重生態(tài)效應(yīng),不僅可通過(guò)分解作用向大氣中釋放CO2,還可利用自身合成代謝將外源碳轉(zhuǎn)化成以微生物殘?bào)w的形式累積在土壤中[16—19]。生物標(biāo)志物氨基糖是微生物細(xì)胞壁的重要成分,在微生物死亡后仍然可以在環(huán)境中保存很長(zhǎng)時(shí)間,因此土壤中長(zhǎng)期積累的氨基糖主要來(lái)自于微生物殘?bào)w[20]。由于土壤中胞壁酸(MurA)只來(lái)源于細(xì)菌,而氨基葡萄糖(GluN)主要來(lái)自真菌,因此可用GluN/MurA來(lái)評(píng)價(jià)真菌和細(xì)菌殘?bào)w在土壤有機(jī)質(zhì)形成過(guò)程中的相對(duì)貢獻(xiàn)[21]。隨著生物標(biāo)志物研究方法的發(fā)展,越來(lái)越多的研究顯示微生物殘?bào)w是土壤有機(jī)碳的重要組成部分[22—27],這對(duì)有機(jī)碳的長(zhǎng)期固持和積累具有重要意義。

植物根系分泌物作為植物-土壤-微生物“交流”的媒介[28],可通過(guò)根系分泌物濃度的變化向根際微生態(tài)系統(tǒng)發(fā)出反饋信號(hào),調(diào)控物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化[29—30]、影響微生物[31]和根系生長(zhǎng)[32]以及土壤酶活性的變化[33—34]。有研究發(fā)現(xiàn),根系分泌物的濃度和種類(lèi)受植物生長(zhǎng)時(shí)期、生長(zhǎng)環(huán)境和植物種類(lèi)的影響[35—36]；大多數(shù)植物的根系分泌物在生長(zhǎng)期分泌量較多[37—39],并且不同植物種類(lèi)之間組分差異較大[40]。另外,當(dāng)土壤氮素較低時(shí),根系分泌物會(huì)刺激土壤有機(jī)質(zhì)分解合成額外的氮[41—42]。植物根系分泌物的C/N通常要比根際微生物的C/N高,這可能造成根際微生物與植物根系之間對(duì)環(huán)境有效氮素的激烈競(jìng)爭(zhēng),使得根際成為碳過(guò)多而有效氮獲取受限制的區(qū)域[43—44]。除此之外,Yang等[45]通過(guò)胞外酶化學(xué)計(jì)量比證據(jù)發(fā)現(xiàn),草地恢復(fù)過(guò)程中微生物活動(dòng)由磷受限向氮受限轉(zhuǎn)變。因此,根系分泌物氮或碳氮比可能是驅(qū)動(dòng)根際微生物群落組成和活性的重要調(diào)控因子,直接影響根際環(huán)境養(yǎng)分代謝等過(guò)程[46],進(jìn)而影響退化草地微生物殘?bào)w碳的形成。

目前關(guān)于微生物殘?bào)w對(duì)根系分泌物輸入響應(yīng)的直接試驗(yàn)證據(jù)幾乎還沒(méi)有報(bào)道,故本研究以高寒極度退化草地土壤為研究對(duì)象,通過(guò)模擬根系分泌物輸入和利用氨基糖生物標(biāo)志物的方法,來(lái)探討不同氮濃度和多樣性的根系分泌物對(duì)退化草地微生物殘?bào)w的影響,以期為根系分泌物調(diào)控下的碳循環(huán)研究提供理論依據(jù),同時(shí)也為高寒退化草地的有效恢復(fù)及土壤固碳增匯提供實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤采集

本研究所用土壤為極度退化草地土壤,其物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能均受到嚴(yán)重破壞,便于分析根系分泌物輸入對(duì)微生物殘?bào)w的影響。采樣地點(diǎn)位于四川省若爾蓋麥溪鄉(xiāng)境內(nèi)(33°56′—33°58′ N,102°11′—102°18′ E),平均海拔3430 m,屬典型高原寒溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。年均氣溫1.3℃,年降水量615 mm,年蒸發(fā)量1352.4 mm,無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期[47]；土壤類(lèi)型原為高寒草甸土,退化為沙化土；樣地植被稀疏,主要的優(yōu)勢(shì)物種有沙生苔草(Carexspp)、賴(lài)草(Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.)等沙生植物。隨機(jī)布置5個(gè)10 m×10 m的樣方,沿樣方對(duì)角線用內(nèi)徑為3.5 cm的土鉆取0—20 cm表層土3鉆,每個(gè)樣方5個(gè)重復(fù),將所取土樣混勻成一個(gè)混合樣品。用冰袋保存帶回實(shí)驗(yàn)室,過(guò)2 mm細(xì)篩處理備用。試驗(yàn)土壤的基本理化性質(zhì)為全碳2.1 g/kg,全氮0.25 g/kg,全磷0.4 g/kg,pH 7.8,容重1.62 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)參照Steinauer等模擬根系分泌物濃度及多樣性的配制方法[48],保持混合物中碳濃度(0.5 gC/kg)不變,設(shè)置2個(gè)不同氮含量的處理組(低氮-LN：0.1 gN/kg；高氮-HN：0.2 gN/kg),各組中分別設(shè)置添加2個(gè)不同多樣性根系分泌物的子處理(低多樣性-LD,添加物：葡萄糖、乙酸、甘氨酸；高多樣性-HD,添加物：葡萄糖、蔗糖、果糖、乙酸、乳酸、琥珀酸、丙氨酸、甘氨酸和酪氨酸)。共5個(gè)處理,分別表示為CK(不添加外源分泌物)、LN+LD、LN+HD、HN+LD及HN+HD,各處理均含3次重復(fù)。試驗(yàn)中,配制低氮(C/N為5∶1)及高氮(C/N為5∶2)添加液時(shí),按照表1各化合物(3種和9種)中碳原子個(gè)數(shù)占混合物的比例來(lái)確定各化合物的添加量。

表1 配制不同氮濃度和多樣性根系分泌物各組分碳原子個(gè)數(shù)占混合物的比例

試驗(yàn)流程簡(jiǎn)述如下：準(zhǔn)確稱(chēng)取400 g供試土壤于500 mL廣口瓶中,隨后置25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)避光培養(yǎng)15 d；培養(yǎng)期間,每24 h利用注射器(10 mL)緩慢、均勻加入7.5 mL的模擬根系分泌物溶液(預(yù)實(shí)驗(yàn)表明,每日添加7.5 mL蒸餾水可維持土壤含水量在田間最大持水量的75%左右),CK處理加入等量的蒸餾水。

1.3 土壤總碳氮、微生物量碳氮、酶活性及氨基糖的測(cè)定

土壤總碳、氮測(cè)定[49]：將風(fēng)干土樣利用研缽粉粹、混勻,過(guò)100目篩,準(zhǔn)確稱(chēng)80 mg粉粹土壤樣品,用錫紙包裹,使樣品不外漏,然后將樣品置于105 ℃烘箱中2 h,將處理好的樣品置于元素分析儀(Elementar Vario EL Ⅲ, 德國(guó))測(cè)定。

土壤微生物量碳(MBC)及氮(MBN)用氯仿熏蒸硫酸鉀浸提法測(cè)定[50]。熏蒸：取培養(yǎng)后的鮮土25 g置于培養(yǎng)皿中,將其放入真空干燥箱中,并放置一個(gè)盛有50 mL去乙醇氯仿的燒杯(100 mL)(燒杯中放有玻璃球防止抽真空時(shí)瀑沸)和一個(gè)盛有稀氫氧化鈉溶液的小燒杯(吸收熏蒸期間釋放出來(lái)的CO2)；確定密封干燥器,之后用真空泵抽真空至氯仿沸騰5 min,關(guān)閉閥門(mén),然后放入25 ℃培養(yǎng)箱中避光熏蒸24 h。浸提：將熏蒸后的土壤轉(zhuǎn)移至250 mL錐形瓶中,加入80 mL 0.5mol K2SO4,震蕩1 h(200 rev/min)后用定量濾紙過(guò)濾,收集濾液并冷凍保存。同時(shí)稱(chēng)取等量未熏蒸土壤,并用上述方法進(jìn)行浸提。上機(jī)：熏蒸和未熏蒸土壤的提取液用TOC儀(Milti N/C 2100S)進(jìn)行含量測(cè)定。土壤MBC、MBN含量(mg/kg)計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

式中,ΔEC、ΔEN為熏蒸與未熏蒸土壤碳氮含量的差值；kC為MBC的浸提系數(shù),為0.45；kN為MBN的浸提系數(shù),為0.54。

土壤酶活性測(cè)定[51]：土壤酸性磷酸酶(AP)、β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)和β-葡萄糖苷酶(βG)活性采用多孔板熒光光度法測(cè)定；過(guò)氧化物酶(POD)活性采用多孔板分光光度法測(cè)定。

土壤氨基糖含量參照Indorf等的方法測(cè)定[52],具體步驟如下：稱(chēng)取冷凍干燥后的土壤樣品1 g于10 mL水解瓶中,加入10 mL 6 mol/L的HCl溶液,密封后,置于高壓滅菌鍋中105 ℃水解8 h。冷卻至室溫后,加入100 μL 1 mg/mL內(nèi)標(biāo)肌醇溶液,振勻后過(guò)0.45 μm濾膜。濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干,殘余物溶于20 mL去離子水后轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯小瓶中,并用0.4 mol/L KOH溶液將pH調(diào)至中性(pH 6.6—6.8),然后以3000 rpm/min離心10 min去除沉淀。上清液轉(zhuǎn)移至50 mL玻璃瓶中,凍干后,用3 mL無(wú)水甲醇溶解,離心10 min 使溶液中多余鹽分沉淀。將上清液轉(zhuǎn)移到5 mL衍生瓶中,在45 ℃下用N2吹干,再次加入1 mL去離子水并冷凍干燥(8 h以上)。向干燥后的樣品中加入300 μL衍生試劑,加蓋密封,在75—80 ℃水浴加熱30 min,其間振蕩 3—4次使反應(yīng)均勻。冷卻至室溫后,加入1 mL乙酸酐,密封后,水浴加熱20 min。冷卻后,加入1.5 mL的二氯甲烷,渦旋使溶液混合均勻。過(guò)量衍生試劑的去除：首先,加入 1 mol/L HCl 溶液1 mL,渦旋震蕩30 s后,靜置后移除上層液體；隨后,用1 mL蒸餾水洗滌4次。去除過(guò)量衍生試劑后的樣品在 45 ℃下吹N2干燥后,溶于400 μL的乙酸乙酯-正己烷(v/v=1∶1)中,通過(guò)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent 7890A- 5975C,USA)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和檢測(cè)。記錄樣品和標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間,通過(guò)比較判斷氨基糖衍生物的峰值,將純化前向樣品中加入的肌醇作為內(nèi)標(biāo)對(duì)氨基糖進(jìn)行定量分析。相關(guān)計(jì)算方法如下[24]：

(3)

BRC=45×MurA

(4)

MRC=FRC+BRC

(5)

式中FRC為真菌殘?bào)w碳(mg/kg)；BRC為細(xì)菌殘?bào)w碳(mg/kg)；MRC為微生物殘?bào)w碳(mg/kg)；251.23為胞壁酸(MurA)的分子量；179.17為氨基葡萄糖(GluN)的分子量；9和45分別為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

用單因素方差分析(One-way ANOVA)結(jié)合Turkey法檢驗(yàn)?zāi)M根系分泌物添加對(duì)退化草地土壤微生物殘?bào)w的影響,并考察各處理間土壤碳氮、微生物生物量、酶活性的差異顯著性(P=0.05)。利用線性回歸分析土壤微生物殘?bào)w與土壤碳氮、微生物生物量及酶活性等指標(biāo)之間的關(guān)系。同時(shí)利用Pearson相關(guān)分析量化在根系分泌物添加下土壤碳氮、微生物生物量及酶活性之間的相關(guān)性。以上統(tǒng)計(jì)分析和作圖均在R 4.1.2(ggplot2包、hrbrthemes包)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同根系分泌物添加處理中的土壤總碳氮以及微生物量碳氮

培養(yǎng)后,各處理土壤總碳氮及微生物量碳氮的結(jié)果如圖1所示。可見(jiàn),LN+LD、HN+LD處理的土壤總碳分別顯著低于LN+HD、HN+HD處理,同時(shí)HN+HD處理顯著低于LN+HD處理。而LN+LD、HN+LD處理的微生物量碳含量分別顯著高于LN+HD、HN+HD處理,同時(shí)HN+LD、HN+HD處理分別顯著高于LN+LD、LN+HD處理,表明高氮含量及低多樣性的分泌物添加能有效促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng),并加速土壤碳庫(kù)的分解；而土壤總氮和微生物量氮在LN和HN兩組處理的組內(nèi)及組間均無(wú)顯著差異,僅HN+LD的土壤總氮顯著高于LN+LD,HN+HD的微生物量氮顯著高于LN+HD。

圖1 不同根系分泌物添加對(duì)土壤總碳、總氮以及微生物生物量碳氮的影響Fig.1 Effects of different root exudates on soil total carbon, total nitrogen and microbial biomass carbon and nitrogen CK：對(duì)照；LN+LD：低氮濃度+低多樣性；LN+HD：低氮濃度+高多樣性；HN+LD：高氮濃度+低多樣性；HN+HD：高氮濃度+高多樣性；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3),柱上方不同小寫(xiě)字母(a-e)表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同根系分泌物添加中的氨基糖和微生物殘?bào)w碳

添加模擬根系分泌物各處理的微生物殘?bào)w碳和真菌殘?bào)w碳均顯著高于CK,且LN+LD、HN+LD處理中的微生物殘?bào)w碳和真菌殘?bào)w碳含量分別顯著高于LN+HD、HN+HD處理,同時(shí)在HN+LD處理顯著高于LN+LD處理,這說(shuō)明LD和HN處理可能有助于微生物殘?bào)w的積累。同上比較下發(fā)現(xiàn),細(xì)菌殘?bào)w碳在LN+LD和HN+LD、LN+HD和HN+HD之間無(wú)顯著差異,僅HN+LD處理高于HN+HD處理。此外,結(jié)合各添加處理中GluN/MurA比例,土壤真菌與細(xì)菌殘?bào)w碳比例,表明退化草地微生物殘?bào)w主要由真菌殘?bào)w貢獻(xiàn),且不受根系分泌物添加影響(圖2；表2)。

表2 根系分泌物添加下,土壤氨基葡糖糖、胞壁酸含量及其比例

圖2 不同根系分泌物添加對(duì)微生物殘?bào)w碳的影響Fig.2 Effects of different root exudates on microbial residues carbonCK：對(duì)照；LN+LD：低氮濃度+低多樣性；LN+HD：低氮濃度+高多樣性；HN+LD：高氮濃度+低多樣性；HN+HD：高氮濃度+高多樣性；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3),柱上方不同小寫(xiě)字母(a-d)表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 根系分泌物添加對(duì)土壤酶活性的影響

添加模擬根系分泌物各處理的土壤酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、過(guò)氧化物酶活性均顯著高于CK,而β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性顯著低于CK。另外,添加分泌物各處理間酸性磷酸酶活性無(wú)顯著差異；β-葡萄糖苷酶活性?xún)HHN+LD處理顯著高于HN+HD處理；β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性HN+LD處理顯著高于其他添加處理；過(guò)氧化物酶活性?xún)HHN+LD處理顯著高于LN+LD處理,其他添加處理間無(wú)顯著差異(圖3)。

圖3 不同根系分泌物添加對(duì)土壤酶活性的影響Fig.3 Effects of different root exudates on soil enzyme activityCK：對(duì)照；LN+LD：低氮濃度+低多樣性；LN+HD：低氮濃度+高多樣性；HN+LD：高氮濃度+低多樣性；HN+HD：高氮濃度+高多樣性；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3),柱上方不同小寫(xiě)字母(a-d)表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.4 微生物殘?bào)w碳與土壤C/N、MBC/MBN以及酶活性等的相關(guān)性

各土壤指標(biāo)間的Pearson相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表3?？芍?土壤微生物量氮、酸性磷酸酶、過(guò)氧化物酶活性與土壤總氮含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；微生物生物量碳與β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.01)；β-葡萄糖苷酶、過(guò)氧化物酶活性均與酸性磷酸酶呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；同時(shí)β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化物酶活性之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表3 根系分泌物添加下,土壤碳、氮以及酶活性等指標(biāo)之間的相關(guān)性

土壤微生物量C/N及相關(guān)酶活性與微生物殘?bào)w碳含量的線性回歸分析結(jié)果如圖4所示。可見(jiàn),該退化草地土壤中的微生物殘?bào)w碳含量與土壤C/N呈顯著線性負(fù)相關(guān) (P<0.01),與MBC/MBN (P<0.001)、酸性磷酸酶(P<0.05)、β-葡萄糖苷酶(P<0.001)、過(guò)氧化物酶活性(P<0.05)呈顯著線性正相關(guān),而與β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性無(wú)顯著性關(guān)系(P>0.05)。

圖4 微生物殘?bào)w碳與土壤碳氮比、微生物生物量碳氮比以及土壤酶活性的回歸分析(n=15)Fig.4 Regression analysis of microbial residual C to soil C/N ratio, microbial biomass C/N ratio and enzyme activities(n=15)

3 討論

根系分泌物因富含碳氮物質(zhì),可促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)并提升其活性,深刻影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程[53—54]。土壤中微生物殘?bào)w的變化取決于生成和分解兩者之間的平衡,本研究探討了模擬根系分泌物輸入對(duì)高寒退化草地土壤微生物殘?bào)w的影響。結(jié)果表明,根系分泌物的輸入顯著增加了土壤微生物殘?bào)w碳含量,且受根系分泌物的氮濃度及多樣性的影響顯著。

3.1 根系分泌物通過(guò)影響土壤微生物來(lái)促進(jìn)土壤微生物殘?bào)w生成

本研究中,根系分泌物的輸入同時(shí)提升了土壤微生物生物量碳氮和微生物殘?bào)w碳含量?？赡苁怯捎谕庠从袡C(jī)質(zhì)輸入激活土壤微生物參與碳循環(huán)過(guò)程,促進(jìn)微生物大量生長(zhǎng)。土壤激發(fā)效應(yīng)是微生物響應(yīng)新鮮碳輸入對(duì)土壤有機(jī)碳分解的變化,是全球碳循環(huán)的關(guān)鍵組成部分[55]。有研究表明,向土壤中添加有效的低分子底物(如葡萄糖和氨基酸) 可以促進(jìn)激發(fā)效應(yīng),激活休眠的土壤微生物,增加土壤微生物量[56—57]。此外,微生物氮礦化假說(shuō)認(rèn)為：外源碳的添加為土壤微生物獲取氮素提供能源,提高其氮礦化活性[58]。本研究中,在低根系生物量和植物凋落物輸入的退化草地環(huán)境下,外源根系分泌物的輸入可激活土壤微生物,增加土壤微生物殘?bào)w碳的生成,進(jìn)而提升土壤有機(jī)碳的存儲(chǔ)量。

3.2 不同氮濃度和多樣性的根系分泌物對(duì)土壤微生物殘?bào)w的影響

本研究中,不同氮濃度和多樣性的根系分泌物處理對(duì)土壤微生物有不同的影響,高氮的根系分泌物添加促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)的效果更顯著。與本研究結(jié)果相似,Chen等[59]研究也發(fā)現(xiàn),蔗糖和氮添加顯著加速有機(jī)質(zhì)的礦化,但有機(jī)質(zhì)礦化的速率由氮有效性控制,表明氮的有效性是影響土壤有機(jī)質(zhì)分解的關(guān)鍵因子。Cui等[60]利用V-T模型發(fā)現(xiàn),高緯度草地的微生物代謝主要受到氮限制,證實(shí)了退化草地中氮是影響微生物生長(zhǎng)及活性的關(guān)鍵因素。因此,本研究中高氮根系分泌物的輸入,有效緩解了高寒退化草地微生物代謝的氮限制,促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)。另外根系分泌物的多樣性對(duì)微生物的代謝以及生長(zhǎng)的作用也存在差異性。有研究發(fā)現(xiàn),微生物對(duì)底物的利用存在偏好性[61]。比起其他碳源,微生物會(huì)優(yōu)先利用葡萄糖這類(lèi)低分子化合物[62]。Lehmann等[63]研究也發(fā)現(xiàn),底物較低的多樣性有利于分解者群落專(zhuān)門(mén)化,而較高的多樣性會(huì)增加微生物利用這些底物的成本。因此,本研究中低多樣性根系分泌物輸入,減少了土壤微生物利用底物的成本,促進(jìn)了退化草地土壤微生物殘?bào)w積累。

3.3 根系分泌物通過(guò)刺激土壤酶活性來(lái)影響土壤微生物殘?bào)w

土壤中酶介導(dǎo)的分解過(guò)程是控制全球養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵步驟[64]。本研究中,根系分泌物的輸入,增加了土壤β-葡萄糖苷酶、土壤磷酸酶和過(guò)氧化物酶活性,而降低了β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性。土壤磷酸酶可以將土壤中的有機(jī)磷分解成易于利用的速效磷,緩解微生物代謝的磷限制[65]。土壤中β-葡萄糖苷酶是纖維素水解酶,可以將寡糖水解成單糖,而過(guò)氧化物酶可參與木質(zhì)素等大分子的降解,這兩者都可為土壤微生物提供可利用底物和能源[66],以提高微生物利用碳源的能力,這與Zhou等[67]的研究結(jié)果一致。因此,本研究中根系分泌物輸入可能通過(guò)增加上述相關(guān)酶活性,將土壤中的大分子進(jìn)行“剪切”,使其轉(zhuǎn)化為可被微生物直接吸收利用的小分子[68],進(jìn)而提高土壤“微生物碳泵”體內(nèi)周轉(zhuǎn)速率[69]。這種高速的細(xì)胞周轉(zhuǎn)速率有利于土壤微生物殘?bào)w的積累。土壤中的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶可催化幾丁質(zhì)和肽聚糖的水解[70],這兩種化合物是真菌和細(xì)菌殘?bào)w的主要部分。本研究中根系分泌物的輸入顯著降低了β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,從而減少了土壤微生物殘?bào)w的分解。另一方面,作為含氮的化合物,幾丁質(zhì)和肽聚糖也可作為微生物的潛在有機(jī)氮源；而外源根系分泌物氮的添加,可能緩解了土壤環(huán)境的氮限制,進(jìn)而降低了微生物對(duì)上述內(nèi)源氮(幾丁質(zhì)和肽聚糖)的需求；最終使得β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性下降,并提高了土壤微生物殘?bào)w碳的含量。

4 結(jié)論

本研究基于“模擬根系分泌物輸入”控制試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)根系分泌物輸入可顯著增加高寒退化草地土壤微生物殘?bào)w含量,且以真菌殘?bào)w為主,其中高氮和低多樣性處理增加最明顯。根系分泌物的輸入可增加土壤β-葡萄糖苷酶、土壤磷酸酶和過(guò)氧化物酶活性,促進(jìn)微生物的生長(zhǎng),而降低β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,減少微生物殘?bào)w的分解。這表明在未來(lái)退化草地恢復(fù)中,可充分利用模擬根系分泌物輸入的土壤固碳策略,即通過(guò)提高土壤氮的有效性,促進(jìn)微生物的生長(zhǎng),加快代謝周轉(zhuǎn),進(jìn)一步提高微生物殘?bào)w含量。