摘要: 自20世纪80年代以来，中国社会经济迅速发展，工农业现代化水平显著提高，化石燃料大量消耗以及农田施肥等使土壤酸化现象普遍发生，并有加剧态势。土壤酸化已成为中国农业生产的主要障碍因子，威胁粮食安全，制约农业可持续发展。红壤是中国南方热带... 展开 自20世纪80年代以来，中国社会经济迅速发展，工农业现代化水平显著提高，化石燃料大量消耗以及农田施肥等使土壤酸化现象普遍发生，并有加剧态势。土壤酸化已成为中国农业生产的主要障碍因子，威胁粮食安全，制约农业可持续发展。红壤是中国南方热带、亚热带地区的典型土壤，也是中国酸性土壤最主要的分布区，当前土壤酸化现象尤其突出、危害十分严重。土壤有机碳是土壤肥力质量与生态功能的核心，对维持全球碳平衡也具有重要意义。土壤有机碳的输入与输出是一个动态平衡过程，与有机物质在土壤中的分解转化密切相关，受诸多因素影响。土壤酸碱度(pH)作为土壤最重要的基本属性，显著影响土壤中几乎所有的化学和生物化学进程。尽管以往有少量关于土壤pH影响有机物质分解转化的研究报道，但受技术方法、研究手段的制约，许多研究不够深入、缺乏系统性，尤其是对土壤微生物群落关注较少，许多科学问题亟待探明。因此，本研究采用野外调查取样与室内模拟实验相结合的方法，综合运用土壤学常规分析手段、新兴的“电动处理”技术、稳定13C同位素示踪技术以及Illumina Miseq高通量测序技术，系统考察了pH对红壤有机碳转化及微生物群落的影响。研究结果既有助于充分了解红壤不同酸化阶段的碳素转化规律，为酸化阻控及不同酸化程度红壤的改良培肥提供科学依据，也有助于完善土壤碳素的生物地球化学循环过程，促进红壤生态系统的健康平稳发展。主要研究内容及结果如下: (1)在中国南方典型红壤区（浙江、江西、湖南）采集不同植被类型下的土壤样品，研究土壤有机碳含量及微生物碳源代谢特征变化，分析导致其变化的主要环境因素。结果表明，所取样地的养分状况非常贫乏、酸化现象极其严重，土壤pH范围在3.36～4.48，均值为4.03;土壤有机碳含量与土壤pH之间存在极显著的负相关关系（r=-0.452，P＜0.001）。土壤微生物生物量主要由土壤有机碳（变异解释率20.1％～27.3％，下同）和总氮(18.7％～19.4％)决定，而微生物碳源代谢特征主要由土壤pH决定。土壤pH分别解释了微生物碳源代谢能力(AWCD)、功能多样性指数和碳源代谢模式变异的41.2％～82.4％、38.8％～47.1％和27.3％，所有养分指标的解释率均远小于土壤pH。随着土壤酸化加剧，微生物的碳源代谢能力、功能多样性指数都显著降低，多元回归树分析预测当pH降至约4.2时将引起微生物碳源代谢模式的突变。31种碳源中，D-葡萄糖胺酸和D-半乳糖醛酸对土壤pH变化最为敏感，可视为响应土壤酸度变化的指示碳源。 (2)在湖南祁阳采集长期不同施肥(CK、N、NPK、NPKM)的旱地红壤农田土样，研究土壤有机碳矿化特征及微生物群落变化，分析导致其变化的主要环境因素。结果表明，决定土壤有机碳累积矿化量的首要因素是有机碳含量（变异解释率45.5％，下同），而决定土壤有机碳初始矿化速率和最终矿化率的首要因素均是土壤pH（40.5％和31.5％）。逐步回归分析发现，土壤pH也是影响微生物碳源代谢能力(AWCD)、功能多样性指数、革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌生物量比值(G+/G-)、总饱和脂肪酸与总单不饱和脂肪酸生物量比值(sat/mono)、绝大多数细菌优势菌门相对丰度、细菌群落多样性的首要因素，并且决定系数R2大多都＞0.9，均达到极显著水平（P＜0.01）。土壤pH变化驱动了微生物碳源代谢模式(Biolog)、群落组成结构(PLFA)及细菌群落组成（高通量测序）的转变，对它们的变异解释率分别达到19.02％(F=6.770，P＜0.001)、64.93％(F=55.414，P＜0.001)和83.1％。尽管长期施用化肥可以明显改善红壤农田的肥力水平，但土壤酸化会加剧微生物所承受的环境压力，不利于微生物群落的组成结构稳定、多样性保持及碳源代谢功能发挥，而化肥有机肥配施是一项适宜的施肥措施。 (3)为尽量克服前人及上述研究中土壤类型、气候特征、利用方式、施肥策略等不同所造成的干扰，相对“单纯”的开展pH对红壤有机碳转化的影响研究，探索利用电动处理技术模拟红壤酸化的可行性，研究制成土样的性质变化，为后续试验奠定基础。结果表明，在4V/cm的直流电压下电动处理120h可实现供试红壤样品的快速酸化，4个制成土样的pH分别为3.81、4.78、5.62和6.53，相互间的土壤有机碳、总氮含量及机械组成等常规理化性质差异不显著(P＞0.05)，但微生物性质发生了巨大变化。随土壤酸化加剧，微生物的碳源代谢能力(AWCD)和功能多样性指数显著降低，碳源代谢模式发生明显转变，对土壤pH变化响应最为敏感的碳源是L-苏氨酸、D-半乳糖醛酸、D-甘露醇和D-葡萄糖胺酸，最不敏感的是D-木糖。土壤酸化加剧也显著降低了细菌群落多样性，影响优势菌相对丰度和细菌群落组成。综合来看，电动处理后土壤微生物性质变化符合自然界中红壤酸化的一般规律，采用电动处理技术模拟红壤酸化具有一定的可行性。 (4)以电动处理制备的不同pH(3.81、4.78、5.62和6.53)红壤作为供试土样，向其中添加13C标记水稻秸秆，进行室内矿化试验和培养试验，研究土壤pH对外源秸秆分解、土壤激发效应的影响，探明不同pH条件下，外源秸秆在土壤各有机碳组分中的分配规律。结果表明，矿化试验结束时(60d)，各处理的秸秆分解率在15.2％～18.9％之间，土壤pH越低秸秆分解率越低;秸秆添加对不同pH红壤的原土有机碳矿化总体表现出正激发效应，低pH（3.81和4.78）土壤的正激发效应明显强于高pH（5.62和6.53）土壤。秸秆添加大幅增加了土壤中总有机碳、可溶性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)的含量，土壤初始pH越低秸秆碳对上述三种形态有机碳的贡献率越高;培养试验结束时(120d)，秸秆碳分配到土壤总有机碳、DOC和MBC中的比例分别为56.0％～66.5％、0.15％～0.27％和1.40％～2.56％，土壤初始pH越低秸秆碳在上述三种形态有机碳中的分配比例越高。综合来看，随着土壤酸化加剧，外源秸秆在红壤中的分解率逐渐降低，使土壤中积累更多的外源秸秆碳，但同时也更促进原土有机碳的矿化，最终将导致土壤有机碳的周转更新变慢。 (5)对于上述室内培养试验，进一步探明红壤在不同初始pH条件下，有机物质分解过程中土壤微生物群落的动态变化。结果表明:土壤微生物的碳源代谢特征和细菌群落组成都受土壤pH和添加秸秆的共同影响。土壤酸化会导致微生物优势菌群由富营养型（r策略者）向贫营养型（K策略者）演变，降低土壤微生物的功能多样性和遗传多样性，不利于微生物碳源代谢能力(AWCD)的发挥。添加秸秆虽然会提高微生物的碳源代谢能力和功能多样性，但降低了微生物的遗传多样性。此外，土壤pH对微生物碳源代谢模式的影响可能存在阈值，尤其是当环境碳源以难分解有机物质为主时更加明显。 综上所述，本研究认为，对于南方红壤，养分贫瘠会影响土壤微生物生物量，但土壤酸化会增加环境压力，使土壤微生物优势菌群由r策略者向K策略者演变，进而降低了微生物的功能多样性和遗传多样性，限制了微生物的碳源代谢能力，使土壤中有机物质（包括土壤自身有机碳以及新输入外源有机碳）的分解转化变慢。表面上看虽然造成土壤系统内有机碳的积累，但影响有机物质的正常周转和养分的循环供应，长期发展下去势必会影响红壤生态系统的稳定性和生产力。 收起