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Don 等采用有机碳与土壤不同混合比例培养测定砂质土壤中有机质分解,结果是低有机碳处理下有机质分解降低,指出土壤微生物处于对有机质的接触的能量胁迫状态,即低有机碳下微生物活性受损。
团聚体微生物与有机碳的微域关系可能是碳固定及稳定促进微生物活性的机制。早已注意到,土壤中生物体有大小差异,它们与不同粒度的团聚体微生境相适合,并在不同的微生境发生着和调节着生态系统过程。
新近,已越来越关注土壤团聚体中有机质固定与微生物活性的关系。Rabbi 等在综述团聚体稳定有机质的机理研究中提出,团聚体物理保护及物理化学保护缺乏直接的实验证据,特别是无法说明与微生物利用的关系。
例如,Huygens等分析了团聚体不同组分有机质 丰度与PLFA 微生物功能区系分布,发现<150 滋m 团聚体中比>150 滋m 团聚体中富集15N,但前者的细菌和真菌PLFA 多于后者,即稳定的有机质却相对有较高的微生物丰度。
这不能说明碳积累及稳定与微生物活性的关系,或者说与稳定有机质相联系的微生物可能并不是活性的,有着生态系统功能的微生物群体。
除了脱氢酶,土壤中酶基本上属于胞外酶,来自土壤中动植物残体、活的土壤动物和微生物,土壤酶与矿质—有机复合体结合而稳定存在于土壤团聚体内部和表面,因而与不同活性的有机质或碳库有一定的空间依存关系。
土壤生境中土壤酶的自然选择趋向于促进土壤生物特别是微生物最低的碳及养分消耗,因此胞外酶活性可以反映系统功能过程的经济性,即提高碳基质、养分、能量的利用效率。因而可以用酶活性来衡量微生物的功能活性。分析多种土壤酶的团聚体存在及活性分布可以直接与土壤生态系统功能多样性相联系。因此,从团聚体尺度了解有机碳—微生物—土壤酶活性关系,是揭示有机碳固定和稳定中生物活性演变的基本途径。
欧洲土壤学家最先提出了低能量超声分散代替化学分散区分水稳性团聚体,称为团聚体颗粒组分级(particle size fractions),可以满足对土壤微生物及其酶活性的研究。新近,Smith 等的研究是不采用分散剂,在第一次水分散和筛分出水稳性团聚体后,对大团聚体(250 ~ 2 000 )进行进一步超声破解分散,分散出的小团聚体被认为是包裹于大团聚体的有机质载体,可以满足团聚体中有机质—微生物—土壤酶活性的分析研究。
总之,现代仪器发展提供了直接观察团聚体有机质与微生物分布的手段。顺应这种发展,科学界应从团聚体尺度探讨微生物多样性、胞外酶存在及活性及其空间分布与有机质稳定的关系,从而进一步诠释团聚体有机碳固定与微生物活性的本质。
最近,开始关注土地覆盖变化中团聚体土壤有机质变化与微生物活性变化的关系,特别是将团聚体碳库与微生物活性相联系,提出了不同的碳库是否与不同微生物区系及活性相关,且这种相关是否随土地利用和管理而变化的问题 。
5水稻土固碳研究:团聚体水平的有机碳与生物活性的关系
水稻土是特殊的生物地球化学环境。水稻土是人为活动所改变或塑造的特殊土壤,而特定的水稻土可以反映人为管理对自然土壤的改造和定向培育的演化。
水稻土是生产能力高而土壤质量相对较好的农业资源,而且还是在环境和气候变化中生产力较为稳定的农业土壤 。稻田土壤由于干湿交替等管理赋予土壤微生物独特的生境,稻田可以认为是一个具有独特生物地球化学过程的农业管理的地球表层生态系统,特别是在甲烷等温室气体产生和排放上。
因而,国际学术界十分关注以有机碳的循环为核心的水稻土生物地球化学研究,近年来更关注水稻土利用和管理中有机质过程与土壤形成与发育的关系。
2014 年,德国科学基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft,DFG)资助下,Ingrid K-Knaber 在德国Freising 专门召开了一个水稻土生物地球化学循环国际学术讨论会,开放性讨论水稻土有机质固定及稳定机制,微生物与碳氮循环、水稻土发育的功能变化等问题。
水稻土是中国稻作文明的代表,是我国土壤学的特色学术资源,我国必需发展水稻土有机质及其生物地球化学研究。
我国土壤科学家对水稻土有机碳的相关研究,已经充分认识到水稻土是有机碳含量水平较高、当前固碳趋势显明而固碳潜力较大的特色耕作土壤。
大量的资料表明,水稻土有机碳不仅控制着稻田土壤生产力,而且还调节着土壤生态系统服务功能 。尽管团聚体尺度有机碳和微生物及酶活性等已有许多报道,但有机碳固定和积累中土壤碳库及其团聚体分布与微生物及其功能活性的关系还未有系统和深入的综合研究。
我们曾经提出了有机质积累和稳定中土壤功能性结构发育的假设,即有机质—微生物—土壤酶等特定组合关系团聚体结构,会随有机碳的积累和稳定而演进,并推动土壤功能的演进。
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