中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 课题4:土壤微生物时空分布格局的生态化学计量调控机制

课题4:土壤微生物时空分布格局的生态化学计量调控机制

核心科学技术问题:

  1. 在从区域(几千公里)到根际(几个毫米)的不同尺度上,植物-土壤-土壤微生物C:N:P化学计量特征的耦联关系;
  2. 生态系统关键组份生态化学计量特征的改变对土壤微生物时空分布格局的影响机制。

 

解决问题的思路与方法:

通过土壤学、生物地球化学、生态化学计量学等多学科研究方法和理论框架相结合,将稻田、草地、森林生态系统中包括植物、土壤、土壤微生物、微生物酶的化学计量特征进行同步研究,以揭示不同空间尺度上土壤微生物化学计量特征与植物和土壤生态化学计量特征的耦联关系,明确土壤微生物大尺度分布格局的生态化学计量学调控机理;在此基础上,通过长期定位观测和控制实验的手段,探讨活体植物、凋落物、土壤等化学计量特征的改变对典型生态系统中土壤微生物群落结构、功能类群组成及相对比例、年际和年内动态的影响,阐明土壤微生物生存环境中关键组份生态化学计量特征的改变对生态系统及根际水平土壤微生物分布格局的调控机制。通过以上不同尺度的研究,确定生态化学计量特征在调控不同尺度土壤微生物分布格局中的作用,为调节土壤微生物群落的组成和结构提供科学依据。

 

技术路线:

针对我国广泛分布的草地、森林和稻田生态系统,依据其主要的自然条件影响因素,分别设置草地东西样带、森林南北样带和稻田南北样带,进行大尺度的样带调查工作,获取植物、土壤、土壤微生物的样品,利用分析化学和土壤生物学的方法,测定植物不同器官中、不同粒级土壤、土壤微生物、土壤微生物分泌酶的C、N、P元素含量,根据元素质量百分比,确定C:N:P的化学计量关系,依据多因素回归、结构方程模型等现代生物统计学方法,阐明区域尺度上不同类型的生态系统中关键组份生态化学计量特征的对应关系。通过长期定位观测、控制实验、室内培养等手段,探讨全球变化因素以及重点生态系统管理措施等引发的环境化学计量特征改变,如:凋落物C:N、土壤C:N、土壤N:P、植物体C:N:P等的变化,对局域和微域尺度上土壤微生物群落结构、组成和动态的影响,阐明生态化学计量特征对土壤微生物时间和空间格局动态的影响机制。

 

主要研究内容:

1. 生态系统关键组份生态化学计量特征的区域尺度对应关系

与其他课题协作开展大尺度的样带调查,包括中国北方草地的东西样带、东部森林的南北样带、南北稻田样带的密集调查工作,利用现代土壤学、微生物学以及分析化学的技术手段,测定植物不同器官、不同土壤粒级、土壤微生物主要酶、土壤微生物生物量中生源要素的含量,计算各个组份中的C:N:P化学计量比值,采用Spearman相关、多元回归等多种统计分析方法,揭示不同驱动力影响下的我国农林草生态系统中植物、土壤、土壤微生物生态化学计量特征的分布格局,确定三者之间的对应关系。结合其他三个课题的明确植物和土壤的生态化学计量特征在调控土壤微生物区域尺度分布格局中的作用机制。

2. 凋落物变化对土壤微生物小尺度时空动态的影响机制

通过调节凋落物的质与量、新光合产物向土壤中的输入等措施改变土壤有机质的输入状况,进而改变土壤的生态化学计量特征,调控探讨土壤计量化学特征尤其是C:N比和C:P比升高对土壤微生物群落结构的影响,明晰植物和土壤因子在调控土壤生物群落中的相对作用。选择优势植物,分种测定其新鲜凋落物C:N:P计量比值,在其原生境中布置凋落物分解实验,测定凋落物分解过程中分解者群落结构的变化以及分解者体内C:N:P化学计量特征的变化,明确不同凋落物对参加分解过程的微生物群落的影响,揭示凋落物的元素化学质量对微生物元素化学计量特征的影响及调控作用。

3. 土壤微生物群落结构与动态对矿质养分输入导致的环境C:N:P计量化学特征改变的响应及反馈

依托CERN台站已经建立并运转良好的长期实验平台,包括氮素添加和磷素添加平台,探讨矿质养分输入等导致的生态化学计量环境的改变(包括C:N和C:P降低、N:P升高和降低)对土壤微生物群落结构的影响(直接),揭示养分状况改变情况下土壤与土壤微生物C:N:P计量特征的对应关系,明确矿质养分条件改变对土壤微生物群落结构和动态影响的植物途径(间接);阐示土壤微生物群落结构和功能的改变对重要生态系统过程和功能的反馈机理。

4. 植物属性对于土壤微生物群落结构和功能的调控机理

以草甸草原、典型草原和荒漠草原中主要优势物种为研究对象,研究不同基因型、物种和功能群的各功能器官及根际分泌酶的生态化学计量特征,揭示其对根际土壤生态化学计量特征的差异性影响,明确其对土壤微生物群落结构和动态的影响机制。通过设置不同的基因型、物种、功能群水平,揭示不同层次的多样性对土壤微生物群落组成影响的生态化学计量调控机制。

5. 土壤形成发育过程元素地球化学特征及微生物响应机制

通过研究土壤形成与发育完整剖面的矿物学、主微量元素化学成分变化特征、土壤性状和主要理化参数、结合岩石和土壤全样的化学组成和溶液提取物的全面分析,揭示土壤中物质迁移转化过程。利用同位素手段研究C和S的生物地球化学循环及其主要受控因素,研究生物作用的风化效应及其与岩石风化成土过程之间的关系,揭示土壤微生物对地球元素生物地球化学循环的驱动机制。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置5个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:典型生态系统植物-土壤-微生物的元素计量关系,负责人为中国科学院沈阳应用生态研究所韩兴国研究员和中国科学院植物研究所黄建辉研究员;

子课题2:土壤微生物群落对凋落物化学计量变化的响应机制,负责人为中科院沈阳应用生态研究所李琪研究员;

子课题3:土壤C:N:P特征变化对微生物群落结构及其稳定性的影响,负责人为中国科学院沈阳应用生态所吕晓涛副研究员和陈利军研究员;

子课题4:植物调控土壤微生物组成的生态化学计量机制,负责人为中国科学院沈阳应用生态研究所王正文副研究员;

子课题5:土壤形成发育过程元素地球化学特征及微生物响应机制,负责人为中国科学院地质与地球物理研究所刘文景博士。

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 统一取样方法、确定样带和样点位置,维护原有并新建部分控制试验平台;完成草地样带60个样点的采样工作及40%样品的分析工作;完成本年度控制实验平台植物、土壤样品的取样以及土壤微生物样品的提取与分析工作。此外,确定两个典型关键带,完成其中50%的土壤样品采集及测试分析。
2015 完成草地样带剩余60%样品的分析工作;完成森林样带20个样点的取样及稻田南北样带20个样点的野外取样工作;完成控制实验平台本年度取样和上年度剩余样品的测定工作,初步确定草地生态系统关键组份生态化学计量特征的耦联关系。此外,完成典型关键带另外50%的样品采集测试和50%样品的Sr、Li同位素分析。
2016 完成森林和稻田样带植物、土壤、土壤微生物70%样品量的分析测试工作;进行控制实验平台的加强取样及样品测试工作;确定森林和稻田生态系统中植物、土壤、土壤微生物生态化学计量特征的对应关系及其尺度依赖性,初步阐明凋落物化学计量特征对微生物分布格局的影响机制。此外,完成关键带样品的同位素分析,阐明典型土壤形成与发育过程中元素循环耦合关系。
2017 完成森林和稻田样带30%样品量的分析测试;对凋落物、养分元素和植物多样性实验平台进行全面植物和土壤养分含量的分析工作,获取所有实验平台的土壤微生物样品,完成微生物群落结构和多样性分析测试工作;初步阐明土壤化学计量特征对微生物群落结构和稳定性的影响。此外,获取地表关键带土壤形成和发育的生物和非生物过程指标数据,阐明其中的微生物作用。
2018 根据初步分析结果对各样带进行样点补充调查和测试工作,对控制实验平台进行补充采样和相关指标的测定,全面进行数据整合,揭示自然和农田生态系统关键组份生态化学计量特征的多尺度耦联关系,全面阐述土壤微生物时空动态的生态化学计量调控机制。此外,整合分析地表关键带典型土壤形成和演化过程中微生物响应及其机制。
五年成果
具体体现
在领域主流SCI期刊上发表文章30篇以上,其中在PNAS、Ecology Letters、Ecology、Global Change Biology、Journal of Ecology等领域著名的期刊上发表文章10篇以上。培养优青和杰青1-2人,培养硕士、博士研究生20人,培养博士后10人。