由中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究員領(lǐng)銜的農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程方向研究團(tuán)隊(duì)近日在不同自然生態(tài)土壤（林地、濕地、草原等）微生物固碳速率及其固碳功能微生物豐度和多樣性研究方面取得了新進(jìn)展。
土壤微生物可以通過(guò)多條固碳途徑進(jìn)行CO2同化，其中，卡爾文循環(huán)是光能自養(yǎng)生物與化能自養(yǎng)生物同化CO2的主要途徑，在調(diào)節(jié)大氣CO2濃度發(fā)揮著重要的作用。在整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)只占全球陸地面積的10%左右，余下的90%面積分布著森林、草原、荒漠和濕地等不同類型的自然生態(tài)系統(tǒng)。由于某些自然生態(tài)系統(tǒng)其土壤環(huán)境的特殊性，植物無(wú)法生長(zhǎng)，這些土壤中自養(yǎng)微生物固碳對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響可能與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同。因此，研究自然生態(tài)系統(tǒng)土壤自養(yǎng)微生物的CO2同化功能對(duì)于完善碳循環(huán)理論具有重要意義。
基于此，該團(tuán)隊(duì)在前期農(nóng)田土壤微生物潛力及其功能種群研究的基礎(chǔ)上，選取了三種不同生態(tài)系統(tǒng)的自然土壤（濕地、林地和草原生態(tài)系統(tǒng)），通過(guò)整合14C同位素標(biāo)記技術(shù)和微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)（克隆文庫(kù)、T-RFLP及定量PCR），量化了上述三種自然土壤的固碳速率，同時(shí)探討了其固碳功能微生物的種群結(jié)構(gòu)、數(shù)量與多樣性及其對(duì)不同土壤的響應(yīng)與反饋機(jī)制。結(jié)果表明，這三個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物的CO2固定能力不同，15天的碳同化量為10.3 - 40.1 mg kg-1之間，表現(xiàn)為濕地土壤>草地土壤>森林土壤。同時(shí)，cbbL（核酮糖-1，5-二膦酸 羧化酶/加氧酶（二磷酸核酮糖羧化酶）大亞基）豐度、14C-SOC和14C-MBC呈顯著的正相關(guān)，表明自養(yǎng)細(xì)菌參與了土壤的CO2同化。含有cbbL的細(xì)菌的微生物在這三種自然生態(tài)系統(tǒng)中均廣泛存在，且IA型和IC型的cbbL功能基因豐度在濕地土壤中含量最高，其次是草地土壤，而森林土壤則只存在IC型的cbbL功能基因。本研究還表明，固定二氧化碳自養(yǎng)菌和一氧化碳氧化菌多樣性隨著土壤類型而顯著變化，但是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育分析，含有cbbL的細(xì)菌和含有coxL（一氧化碳脫氫酶大亞基）的細(xì)菌群落相似。主成分分析表明，土壤C/N比和EC值是影響土壤微生物固碳速率和cbbL、coxL基因豐度和多樣性的主要環(huán)境因子(圖1)。該研究深化了我們對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物固碳生物學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
上述工作以題為Soil carbon-fixation rates and associated bacterial diversity and abundance in three natural ecosystems發(fā)表在Microbial Ecology。審稿人和編輯認(rèn)為“該研究是對(duì)土壤微生物的大氣CO2固定功能的極大補(bǔ)充，……結(jié)果非常有趣和有用”（This is an excellent report of interesting and relevant research on the CO2-fixing rates and the corresponding microbial autotrophic characteristics in 3 natural ecosystem soils, wetland, grassland, and forest. It provides a deeper insight into microbial CO2-fixing characteristics. This work could be a big addition to literature on soil microbial CO2 fixation.）。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、亞非拉杰出青年科學(xué)家來(lái)華工作等項(xiàng)目的資助。
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圖1 主要環(huán)境因子對(duì)cbbL、coxL基因豐度和多樣性的影響（RDA分析）