近日，冯兆忠团队在土壤学国际Top期刊Soil Biology and Biochemistry上发表了题为“Ozone strengthens the ex vivo but weakens the in vivo pathway of the microbial carbon pump in poplar plantations”的研究论文。该研究利用野外开放式臭氧浓度升高（O3-FACE）平台，以不同敏感性杨树品种人工林生态系统为研究对象，研究了臭氧浓度升高(eO3)和氮沉降（N）对土壤微生物过程和土壤有机碳组成的影响，研究结果有助于认识全球环境变化对森林土壤碳库影响的微生物机制。
成果简介
地表臭氧是一种对生物有害的污染物，主要由人类活动排放的一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、挥发性有机物(VOCs)等在高温光照条件下发生光化学反应后产生。臭氧能够影响全球环境变化和生态系统物质能量循环以及人类健康。eO3会以多种方式危害植物，例如造成可见或不可见的植物叶片损伤、降低光合作用速率、改变碳分配和加速衰老等。由此对地上过程的影响可以通过影响根系生长、根系沉积和凋落物分解进一步影响地下微生物群落、碳和其他营养物质循环。前期研究表明，eO3 可以影响森林生态系统中的碳循环，然而eO3与其他环境变化因素的相互作用对微生物介导的土壤碳循环和土壤中碳库的影响仍然很大程度上未知。
因此，为了探究 eO3和 N 沉降对土壤过程的影响，课题组研究人员在延庆 O3-FACE平台（图1）开展了系列研究工作。该研究选用人工杨树林生态系统作为研究对象，是因为杨树的经济和生态价值而被广泛种植。基于之前的研究结果，不同杨树无性系的一些地上生理特性对臭氧的敏感性存在差异，该研究选取了两种对臭氧敏感度不同的杨树无性系 [‘107’ (Populus euramericana cv. ‘74/76’) 和 ‘546’ (P. deltoides * P. cathayana)]。该研究主要分析了eO3和 N 沉降对土壤的理化性质、微生物指标（即呼吸作用、酶活性、生物量、残体量和群落组成）、土壤有机碳组分、根系化学和形态特征的影响。
图 1. 延庆开放式臭氧浓度升高（O3-FACE）研究平台（左）和亚处理设计示意图（右）。aO3，环境空气；eO3，臭氧升高；N0，未添加氮；N60，60 kg N ha-1 yr-1。
图 2. (a) 土壤微生物呼吸、(b) 微生物生物量碳 (MBC) 和 (c 和 d) 水解酶和氧化酶活性。
图 3. (a和b) 土壤微生物磷脂脂肪酸 (PLFA) 组成的主成分分析(PCA)。
图 4. (a 和 b) 土壤相对细菌和真菌丰度，(c) 真菌丰度与细菌丰度之比，以及 (d) 真菌和细菌之间的关系。
该研究表明eO3降低了土壤微生物呼吸作用和生物量碳，但增强了微生物酶促碳获取过程（水解酶和氧化酶活性均增加；图2），同时微生物转变为以真菌为主的群落组成（图3和4）。这些响应表明，在eO3的情况下，土壤微生物碳的可用性降低；同时eO3抑制了土壤生物的碳代谢过程，并表明微生物对底物的利用策略可能会转换为偏好利用更耐降解的底物（例如木质素）。土壤微生物底物利用策略的这种转变将迫使微生物分配更多的碳来产生能量，以利用质量较低的底物，从而留下更少的碳来积累生物量。此外，氮沉降加剧了eO3对土壤微生物碳可用性和群落组成的影响（比如：图2氧化酶和图4真菌/细菌比值），而两种杨树之间eO3对地下过程的影响没有差异。
图 5. (a) 土壤细菌残体碳 (BNC)，(b) 真菌残体碳 (FNC)，(c) 总微生物残体碳 (MNC)，和 (d) 真菌残体碳与细菌残体碳的比值。
图 6. （a）根际土壤有机碳 (SOC)、(b) 碳氮比 (C/N)、(c) 矿物结合有机碳 (MAOC) 和 (d) 颗粒有机碳 (POC)。
该项研究还发现臭氧处理降低了土壤细菌残体碳和总微生物残体碳，但是增加了土壤真菌残体碳和细菌残体碳的比值（图5）。真菌/细菌残体碳比值的增加与微生物群落真菌/细菌比值增加一致。同时，臭氧处理降低了土壤矿物结合有机碳、总有机碳含量和土壤碳氮比，但是轻微增加了颗粒有机碳含量（图6）。因此，这些研究表明eO3对土壤有机碳的影响机制是由微生物驱动的，即eO3降低了土壤微生物残体进而降低矿物结合碳的形成，最终导致土壤总有机碳含量降低。综上所述，eO3处理下土壤胞外酶活性的增加和颗粒有机碳含量的增加，表明eO3增强了微生物碳泵“体外修饰”途径，而微生物“体内周转”途径则被削弱，这表现为eO3处理下土壤微生物呼吸、生物量、残体量和矿物结合有机碳的减少。该研究提供的证据表明，近地层eO3对树木的影响可能会影响地下微生物调控土壤有机质的形成与稳定，并最终影响土壤有机碳固存。
作者简介
南京信息工程大学环境变化生态效应团队 郑海峰 博士后为论文第一作者，参与该研究工作的还有丹麦哥本哈根大学、瑞典隆德大学和马来西亚登嘉楼大学研究人员，以及本课题组Evgenios Agathokleous教授、袁相洋副教授、尚博副教授和徐彦森副教授，冯兆忠教授为通信作者。郑海峰博士毕业于丹麦哥本哈根大学，主要关注全球环境变化对土壤酶和微生物的影响以及土壤微生物如何调控环境变化。本研究受国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金和江苏省卓越博士后计划等项目资助。
供稿：郑海峰
点击下方“阅读原文”获取文章全文
左右滑动切换图片
