黑土母質熟化過程微生物群落碳源代謝特征

張志明,韓曉增

中國科學院東北地理與農業生態研究所海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站，哈爾濱 150081

黑土母質熟化過程微生物群落碳源代謝特征

張志明,韓曉增*

中國科學院東北地理與農業生態研究所海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站，哈爾濱 150081

東北黑土區由于表土喪失，母質裸露等問題，嚴重威脅糧食生產和生態環境，通過揭示母質肥力形成過程中微生物群落的碳源利用特征可以讓人們更好的理解肥力形成過程中相關微生物過程。以海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站長期定位試驗為材料，研究母質不同熟化過程下微生物群落碳源代謝特征，結果表明：苜蓿草熟化過程(PAfl)、農田化肥配施有機物熟化過程(PCS+F+OM)可培養微生物數量最多。自然熟化過程(PNat)、苜蓿草熟化過程、農田化肥農產品全循環熟化過程(PCS+F+BM)、農田化肥加有機肥配合型熟化過程可以將微生物活性提高到常規農田黑土的水平。不同熟化過程下微生物群落對單個碳源的利用不同。主成分分析表明自然熟化過程、農田化肥投入熟化過程(PCS+F)、農田化肥農產品全循環熟化過程、農田化肥加有機肥配合型熟化過程與常規農田黑土微生物代謝特征類似。研究表明不同母質熟化過程通過影響微生物群落結構導致對各個碳源的利用發生變化，最終改變了整體碳源代謝特征。

黑土母質；熟化過程；微生物；代謝特征

我國東北平原黑土區，主要分布在小興安嶺和松嫩平原腹地之間的過渡帶[1]，所以形成了大量坡耕地，這些坡耕地開墾后，由于侵蝕導致表土遷移流失，嚴重的地區母質裸露。再加上工程建設的取土和棄土，黑土表層被破壞，導致大量農田母質裸露[2]。在平原地區，對土壤掠奪性經營，導致表土退化形成劣質的土壤[3]，即是母質裸露的表現。這些地區土壤的原始母質裸露后，喪失了土壤應有的生產植物的能力，同時對生態環境也帶來了危害[4]。基于對退化嚴重土壤肥力恢復的需求，將2 m以下的黑土母質移至地表，分別模擬自然熟化過程、種植豆科牧草熟化過程；在模擬農田過程中，分別設置了無肥、化肥、化肥加有機肥和在施用化肥的條件下將所收獲的農作物(秸稈和籽粒)全部還田，試圖了解母質熟化過程中的各種肥力屬性的變化特征。

土壤肥力的恢復與重建的引擎是土壤微生物主導下的生物化學過程[5]，土壤微生物的碳代謝過程又是土壤生物化學過程非常重要的組成部分。1991年，Garland和Mills首次應用Biolog系統分析微生物群落的碳源代謝特征[6]。隨后眾多學者利用此方法研究在施肥[7-8]、耕作[9-10]、不同植被覆蓋[11-12]和不同土壤類型[13]條件下土壤微生物群落碳源代謝特征，并以此來反映土壤肥力的變化。但是在土壤侵蝕嚴重、母質裸露地區，對土壤肥力恢復重建過程中微生物群落碳代謝過程的研究較少。本文通過研究模擬黑土侵蝕嚴重、母質裸露在地表后不同熟化過程下微生物群落碳源代謝的變化特征，探討不同措施對母質肥力恢復的影響，為應對黑土耕地資源減少和開發新的耕地資源提供思路和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

黑土母質熟化試驗區設置于海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站試驗田內(47°27′N, 126°55′E)，位于中國黑土帶中部，海拔234 m，區域內土壤為典型中厚層黑土。試驗區為溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，全年降水量500—600 mm，無霜期120—130 d，≥10 ℃有效積溫2400—2500 ℃[14]。

1.2 試驗設計

試驗始于2004年6月。黑土母質是第四紀黃土狀母質，母質出現在土壤剖面的155 cm以下，試驗所用母質取自表層以下2.0—2.5 m深的有代表性的母質，移入地表混勻后，等量放入24個微區中。每個微區平面長1.4 m，寬1 m，深0.6 m，底部用200目雙層尼龍網將試驗母質和原土分開(原土性狀與母質相近)，不能生長根系但水分可以運移，四周均用鋼筋混凝土鑄成，可防水側滲。試驗設置6個處理：(1)母質自然熟化過程(PNat)，沒有任何人為措施，地上植物為自然生長，每年冬季枯死后自然還田；(2)母質苜蓿草熟化過程(PAlf)，人工播種多年生苜蓿，不加任何其他措施，每年秋季地上生物量剪碎覆蓋表面還田；(3)農田耕作無肥投入熟化過程(PCS-F)；(4)農田耕作化肥投入熟化過程，僅施用NPK化肥(PCS+F)；(5)農田耕作施用化肥農產品全循環熟化過程，NPK化肥+每年地上所有收獲物(籽粒和秸稈)全量還田(PCS+F+BM)；(6)農田耕作化肥加有機肥配合型熟化過程，NPK化肥+秸稈+炒熟豆粉(PCS+F+OM)，模擬有機肥。每個處理4次重復，隨機排列。(7)試驗還采集距微區試驗地100m處常規農田表層黑土(SCS+F)作為對照，具體試驗設置見表1。處理代號含有CS代表大豆-玉米輪作種植方式；P代表供試土壤為母質；S代表供試土壤為常規農田表層耕作黑土。處理1—2免耕；處理3—7翻耕土層深度為17 cm。不同作物每年肥料用量見表1。

表1 不同作物施肥量Table 1 Different crop fertilizer rate

1.3 樣品采集

樣品于2012年春天播種前采集，系收獲后玉米茬口，取樣時保留1個區組不取樣，取另外3個區組的小區土壤樣品供測試研究，僅采集表層，免耕處理為0—10 cm，耕作處理根據翻耕深度采集0—17 cm土樣，每個小區取樣方法為每一層土壤全部取出混勻，多次四分法取樣最終為1個樣品。其中采集前將PNat和PAlf兩個處理地表植物殘體除去。樣品取完后用封口袋封存，放入冰盒中帶回實驗室，在4℃冰箱中保存，以備分析。

1.4 試驗方法

土壤微生物三大菌群的數量采用平板菌落計數法測定[15]。

Biolog EcoPlate接種和培養：稱取相當于5 g烘干土重的鮮土加入到裝有45 mL滅菌生理鹽水(0.85%)的三角瓶中，超聲1 min，然后在振蕩器上振蕩40 min混勻。土壤溶液稀釋至10-3濃度梯度，向ECO板中每孔加入150 μL土壤稀釋液， 28 ℃保濕避光培養。每隔24 h用Biolog 自動讀數儀測量590 nm(顏色和濁度)和750 nm(濁度)波長下的數值[16]。

1.5 數據分析

按照Classen[16]方法計算：

(1)平均顏色變化率(AWCD)

AWCD=∑(C590-750)/n

(2)Shannon指數H(評估物種豐富度)

H=-∑piln(pi)

(3)Simpson指數(評估某些常見種的優勢度)

D=1-∑(pi)2

(4)Mclntosh指數(評估群落物種均勻度)

式中,C是反應孔吸光值，n是碳源數。pi為第i孔相對吸光度值與整個平板相對吸光度值總和的比率，ni是第i孔的相對吸光值。

試驗結果的方差分析及主成分分析采用SPSS19.0進行。

2 結果

2.1 可培養微生物數量變化特征

可培養微生物雖然只占土壤微生物總數的0.1%—1%[17]，但它們的功能是可知的，在不同母質熟化過程中，可培養微生物的豐度和類群有明顯不同的特征(表2)。母質自然熟化過程中基本檢測不到放線菌，說明放線菌這個類群在從母質到具有肥力的土壤熟化過程中，響應速度較細菌和真菌慢得多；且放線菌在母質熟化過程中，對肥料相當敏感，在無肥料投入的3個處理中數量較少。在人工播入牧草免耕條件下，土壤可培養微生物總數相當于母質自然熟化過程的可培養微生物總數的2倍，證明了豆科植物苜蓿對土壤微生物有較強的促進作用。

在母質熟化的農田過程中，不同的施肥方式對土壤可培養微生物數量有不同的促進作用。無肥是可培養微生物數量的限制因子，與優化的施肥方式(處理6)相比，僅占其1/10。從施用化肥熟化過程與化肥加有機物配合施用熟化過程比較可以看出化肥在母質熟化初期對可培養微生物數量的促進作用更大。

2.2 不同黑土熟化過程土壤微生物群落功能多樣性特征

2.2.1 土壤微生物群落平均顏色變化率的動態變化

母質不同熟化過程中微生物群落的平均顏色變化率(AWCD)是不同的(圖1)。AWCD越高，微生物群落活性越大。苜蓿草通過2方面影響土壤微生物，一方面表層苜蓿根系密度大，對土壤切割使改變母質三相比；另一方面豆科植物激發母質根瘤菌生長，增加母質中養分含量，而且每年地上生物量自然還田也增加了養分。播種玉米和大豆(PCS-F)的母質中微生物活性最小，自然恢復草地(PNat)母質中的微生物活性居中。在農田熟化過程中，肥料對母質中微生物活性的影響是復雜的，化肥(PCS+F)是母質中微生物活性降低的直接控制因子，有機物料(PCS+F+BM；PCS+F+OM)提升母質中微生物活性可以達到農田表層黑土(SCS+F)的水平。

表2 不同處理對微生物數量的影響Table 2 Effect of different application on microorganism amounts

同列不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05);PNat: 母質自然熟化過程Parent-Natural;PAlf: 母質苜蓿草熟化過程Parent-Alfalfa;PCS-F: 農田耕作無肥投入熟化過程Parent Corn-Soybean-No Fertilizer;PCS+F: 農田耕作化肥投入熟化過程Parent Corn-Soybean-Fertilizer;PCS+F+BM: 農田耕作施用化肥農產品全循環熟化過程Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Biomass cycle;PCS+F+OM: 農田耕作化肥加有機肥配合型熟化過程Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Oganic Matter;SCS+F: 常規農田表層黑土Stander Soil Corn-Soybean+Fertilizer

圖1 土壤微生物群落AWCD隨培養時間的變化 Fig.1 AWCD changes with incubation time of different treatmentsPNat: 母質自然熟化過程Parent-Natural;PAlf: 母質苜蓿草熟化過程Parent-Alfalfa;PCS-F: 農田耕作無肥投入熟化過程Parent Corn-Soybean-No Fertilizer;PCS+F: 農田耕作化肥投入熟化過程Parent Corn-Soybean-Fertilizer;PCS+F+BM: 農田耕作施用化肥農產品全循環熟化過程Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Biomass cycle;PCS+F+OM: 農田耕作化肥加有機肥配合型熟化過程Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Oganic Matter;SCS+F: 常規農田表層黑土Stander Soil Corn-Soybean+Fertilizer

2.2.2 土壤微生物群落對各類碳源的利用特征

從圖2可知，黑土母質熟化過程中，各處理母質中的微生物主要利用的碳源均為糖類和氨基酸類，其次是羧酸類和聚合物類。但是從表3中知道，母質自然熟化過程、母質苜蓿草熟化過程和常規農田土壤微生物群落利用率最高的5個碳源種類一致，都是氨基酸類和糖類。在有人為影響的農田熟化過程中，微生物群落利用最高的5個碳源與成熟的常規農田黑土不一致，沒有肥料投入的熟化過程(PCS-F)中利用率最高的5個碳源沒有糖類；投入化肥后(PCS+F)后，依然有羧酸和聚合物類，但增加了2個糖類碳源；施用秸稈(PCS+F+BM)和秸稈+豆粉(PCS+F+OM)后利用率最高的5個碳源中沒有聚合物類，但依然有羧酸類碳源，而且在PCS+F+OM中有3個氨基酸類碳源。

2.2.3 主成分分析

不同熟化過程下土壤微生物群落對31種碳源利用的主成分分析(圖3)，本文共提取4個主成分，前2個主成分的方差貢獻率分別是29.56%和20.80%，第3、4個主成分貢獻率是18.85%和11.83%。所有處理在PC1軸上分成3類，母質苜蓿草熟化過程為一類；農田化肥熟化過程為一類；其余熟化過程為一類，而且這一類與常規農田黑土微生物群落碳源利用特征相似。對PC1產生相對較大影響的碳源是糖類和氨基酸類(表4)。

圖2 不同處理下土壤微生物群落對Biolog板中6類碳源相對利用率 Fig.2 Relative use efficiency of six kinds of carbon sources in Biolog EcoPlate by soil microbe community of different treatments

圖3 不同熟化過程下的土壤微生物群落對31種碳源利用的主成分分析 Fig.3 Principal components analysis of carbon source utilization by soil microbial communities in soil maturation process

表3 各處理利用最高的5個碳源Table 3 The highest utilization rate of 5 carbon sources in all treatments

表4 各碳源與PC1和PC2的相關系數Table 4 Correlation coefficients between all substrates and PC1 and PC2

3 討論

將黑土母質從地下2—2.5 m處相對封閉的環境移到地表相對開放的環境中，在不同的熟化過程中可培養微生物數量產生不同的變化。植被類型(PAlf,PCS-F)和肥料(PCS-F,PCS+F+OM)對母質中可培養微生物數量影響非常大。可培養放線菌對肥料非常敏感，在沒有肥料投入的熟化過程中放線菌基本檢測不到。本試驗選取附近常規農田表層黑土作為對照，常規農田表層黑土的細菌∶放線菌∶真菌=364.54∶3.77∶1；農田化肥有機肥配合熟化過程的細菌∶放線菌∶真菌=371.79∶1.25∶1；農田化肥農產品全循環熟化過程的細菌∶放線菌∶真菌=390.7∶1.52∶1；農田化肥投入熟化過程的細菌∶放線菌∶真菌=368.26∶1.43∶1。農田無肥投入熟化過程的細菌∶真菌=119.27∶1；母質苜蓿草熟化過程的細菌∶真菌=1299.87∶1；母質自然熟化過程的細菌∶真菌=1438.26∶1，母質苜蓿草熟化過程的可培養微生物總數是自然熟化過程的2倍，但是各類群微生物數量比值相似，說明播種苜蓿比自然恢復對母質微生物數量的發展有更好的作用。各個處理與自然熟化過程比較說明農田化肥有機肥配合熟化過程、農田化肥農產品全循環熟化過程和農田化肥投入熟化過程的微生物數量性狀發展逐漸接近常規農田黑土；母質苜蓿草熟化過程和母質自然熟化過程中細菌群落繁衍的極為迅速；農田無肥投入熟化過程各類微生物均發展很慢。

在本研究中可以看出不同植被類型對母質中微生物活性有很強的控制作用。AWCD越高微生物活性越高[18]，代謝活動越旺盛，合成和分解的養分越多，各個養分元素循環的速度快，對母質肥力的形成有更強的促進作用。苜蓿對微生物群落的活性有很好的提高作用。杜天慶[19]、楊珍平[20]研究表明，苜蓿等豆科植物對黃土母質孔隙度、容重和團聚體有很好的改良作用，固氮作用可以提高土壤氮素營養及有機質含量，對母質有良好的改良效果。本試驗結果看出，不投入有機物質種植農作物對微生物活性提高效果最差。而母質自然熟化過程前兩年沒有生物量產出，之后幾年植被逐漸增加，經過8a地上地下產生的生物量和可培養微生物數量仍遠小于母質苜蓿草熟化過程，但母質自然熟化過程的AWCD與母質苜蓿草熟化過程已經在同一水平。

肥料是微生物群落活性的關鍵影響因素。秸稈含有大量碳水化合物以及氮、磷、鉀等營養元素，秸稈還田具有改善土壤結構，補充土壤養分，激發微生物活性等作用[21]，且與無機肥料配施對改善土壤養分狀況和維持土壤微生物活性有明顯效果[8]。祁陽紅壤實驗站“生土熟化”長期定位試驗的研究表明，有機無機肥配施和秸稈還田是快速提高母質肥力的措施[22]，有機質含量與有機物投入量呈顯著正相關[23]。農田熟化過程的地上植被完全相同，而化肥有機肥配合熟化過程和化肥農產品全循環熟化過程的AWCD顯著高于無肥投入熟化過程，處理間僅有施肥上的不同，說明向母質中施入化肥加秸稈和豆粉等有機物質，通過增加了微生物利用的底物，從而提高了微生物群落的代謝活性。常規農田黑土的可培養微生物數量顯著低于農田化肥有機肥配合熟化過程、農田化肥農產品全循環熟化過程，但是AWCD卻是在同等水平；農田化肥投入熟化過程的可培養微生物數量顯著高于常規農田黑土，但AWCD與常規農田黑土相比卻低得多，說明種植作物僅施用化肥熟化方式可以刺激母質中微生物數量增加，但對微生物群落的活性的提高程度有限，而化肥與有機物配施熟化方式不僅能提高可培養微生物數量，而且能將其活性提高到常規農田黑土的水平。

母質在不同的熟化過程下各類碳源的利用情況也發生了變化。各個熟化過程中微生物群落主要利用糖類和氨基酸類碳源，其次是羧酸和聚合物類碳源，與常規農田黑土一致。常規農田黑土利用最高的5個碳源是氨基酸類(1個)和糖類(4個)，母質自然熟化過程和母質苜蓿草熟化過程利用最高的5個碳源是糖類和氨基酸類。農田無肥投入熟化過程利用最高的5個碳源是氨基酸類、羧酸類和聚合物類；農田化肥投入熟化過程是氨基酸類、糖類、羧酸類和聚合物類；農田化肥農產品全循環熟化過程和農田化肥有機肥配合熟化過程利用最高的5個碳源是氨基酸類、糖類和羧酸類。農田熟化過程中，微生物對碳源的利用情況有很大不同，但處理之間只有施入物質的差異，所以投入不同是導致碳源利用差異的唯一原因。長期施用某類物質會使微生物利用的碳源趨于穩定，施入熟大豆粉進入土壤中，刺激了以蛋白質為碳源、氮源和能源的微生物的生長。而且有機物的施入減少了微生物對羧酸類和聚合物類碳源的利用率。不同熟化方式下微生物群落對31個碳源的利用表現出不同的規律，也說明不同熟化方式對母質肥力形成過程中對土壤碳庫的影響不同。

主成分分析共提取了4個主成分，本文只對前兩個主成分進行分析。分析結果表明不同熟化過程影響下的土壤微生物群落對碳源利用情況差異顯著(圖3)。整體碳源代謝特征的不同也間接體現了不同熟化措施對微生物群落結構的影響。除母質苜蓿草熟化過程和農田化肥投入熟化過程外，其他熟化過程的整體微生物碳源代謝特征與常規黑土農田相似，不同的熟化過程對母質中微生物在氨基酸類和糖類碳源利用能力上的影響是導致微生物群落碳源代謝特征變化的主要原因。母質苜蓿草熟化過程由于苜蓿的固氮作用激發了與氮素循環有關的微生物大量生長；農田化肥投入熟化過程連續8年只施用無機肥料會對母質pH值產生影響，雖然增加了可培養微生物數量，但也積累了毒害物質和抑制某些類微生物類群的發展，所以這兩個熟化過程的碳源利用特征與其他熟化過程不同。

不同熟化過程使母質微生物對碳源利用能力、碳源利用率和群落功能表現上產生了較大差異，這些信息反映了母質微生物群落對不同熟化過程的響應程度，可以為土壤退化嚴重地區研究土壤肥力重建提供依據。

4 結論

母質由地下相對封閉環境到地表相對開放環境后，為使母質肥力快速形成采取了不同的熟化措施，得出以下結論：

自然熟化過程、苜蓿草熟化過程、農田耕作化肥投入熟化過程和農田化肥有機物配施熟化過程都可以顯著提高黑土母質中可培養微生物數量，農田耕作化肥投入熟化過程和農田化肥有機物配施熟化的微生物數量性狀發展逐漸接近成熟黑土；母質自然熟化過程、母質苜蓿草熟化過程中細菌群落繁衍的極為迅速；農田耕作無肥投入熟化過程中各類微生物均發展很慢。

植被和肥料對微生物活性有很強的影響，自然熟化過程、苜蓿草熟化過程、農田化肥有機物配施熟化過程顯著提高母質中微生物的活性，達到成熟黑土的水平。主成分分析顯示母質苜蓿草熟化過程和農田化肥投入熟化過程對母質微生物群落產生了不同的影響，所以整體碳源利用特征與常規農田黑土和其他熟化過程不同。

[1] 閻百興, 楊育紅, 劉興土, 張樹文, 劉寶元, 沈波, 王玉璽, 鄭國相. 東北黑土區土壤侵蝕現狀與演變趨勢. 中國水土保持. 2008, (12): 26- 30.

[2] 王小兵, 吳元元, 鄧玲. 東北黑土區黑土退化防治與保護研究. 資源與產業, 2008, 10(3): 81- 83.

[3] 于磊, 張柏. 中國黑土退化現狀與防治對策. 干旱區資源與環境, 2004, 18(1): 99- 103.

[4] 張興義, 隋躍宇, 宋春雨. 農田黑土退化過程. 土壤與作物, 2013, 2(1): 1- 6.

[5] 趙其國. 我國紅壤的退化問題. 土壤, 1995, (6): 281- 285.

[6] Garland J L, Mills A L. Classification and characterization of heterotrophic microbial communities on the basisof patterns of community-level-sole-carbon-source-utilization. Applied and Environmental Microbiology. 1991, 57(8): 2351- 2359.

[7] Li F L, Liu M, Li Z P, Jiang C Y, Han F X, Che Y P. Changes in soil microbial biomass and functional diversity with a nitrogen gradient in soil columns. Applied Soil Ecology, 2013,64:1- 6.

[8] 羅希茜, 郝曉暉, 陳濤, 鄧嬋娟, 吳金水, 胡榮桂. 長期不同施肥對稻田土壤微生物群落功能多樣性的影響. 生態學報, 2009, 29(2): 740- 748.

[9] Yan F, McBratney A B, Copeland L. Functional substrate biodiversity of cultivated and uncultivated A horizons of vertisols in NW New SouthWales. Geoderma, 2000, 96(4): 321- 343.

[10] 姬艷艷, 張貴龍, 張瑞, 劉玉升, 楊殿林, 王彩靈. 耕作方式對農田土壤微生物功能多樣性的影響. 中國農學通報, 2013, 29(6): 117- 123.

[11] Yin R, Deng H, Wang H L, Zhang B. Vegetation type affects soil enzyme activities and microbial functional diversity following re-vegetation of a severely eroded red soil in sub-tropical China. Catena, 2014, 115: 96- 103.

[12] 劉明, 李忠佩, 張桃林. 不同利用方式下紅壤微生物生物量及代謝功能多樣性的變化. 土壤, 2009, 41(5): 744- 748.

[13] Sun B, Wang X Y, Wang F, Jiang Y, Zhang X X. Assessing the relative effects of geographic location and soil type on microbial communities associated with straw decomposition. Applied and Environmental Microbiology, 2013,79(11):3327- 3335.

[14] 李曉慧, 韓曉增, 王樹起, 王守宇, 嚴君. 土壤微生物對不同作物根系活動的響應. 農業系統科學與綜合研究, 2010, 26(2): 156- 159.

[15] 林先貴. 土壤微生物研究原理與方法. 高等教育出版社, 2010.

[16] Classen A T, Boyle S I, Haskins K E, Overby S T, Hart S C. Community-level physiologicalprofiles of bacteria and fungi plate type and incubation temperature influence on contrasting soils. FEMS Microbiology Ecology, 2003,44(3): 319- 328.

[17] Kirk J L, Beaudette L A, Hart M, Moutoglis P, Klironomos J N, Lee H, Trevors J T. Method of studying soil microbial diversity. Journal of Microbiological Methods, 2004, 58(2): 169- 188.

[18] Haack SK, Garchow H, Klug M J, Fomey L J. Analysis of factors affecting the accuracy, reproducibility, and interpretation of microbial community carbon source utilization patterns. Applied and Environmental Microbiology, 1995,61(4): 1458- 1468.

[19] 杜天慶, 苗果園, 郝建平, 楊錦忠, 崔福柱, 薛建福. 不同類型豆科植物對黃土母質生土的改土效果. 水土保持學報, 2011, 25(6): 76- 80, 86.

[20] 楊珍平, 郝教敏, 卜玉山, 高志強, 苗果園. 苜蓿根系生長對黃土母質生土的改良效應. 草地學報, 2012, 20(3): 489- 496.

[21] Debosza K,Peter H R,Pedersena A R.Temporal variations in microbial biomass C and cellulolytic enzyme activity in arable soils: effects of organic matter input.Applied Soil Ecology,1999,13 (3): 209- 218.

[22] 于寒青, 徐明崗, 呂家瓏, 包耀賢, 孫楠, 高菊生. 長期施肥下紅壤地區土壤熟化肥力評價. 應用生態學報, 2010, 21(7): 1772- 1778.

[23] 于寒青, 孫楠, 呂家瓏, 高菊生, 徐明崗, 王伯仁. 紅壤地區三種母質土壤熟化過程中有機質的變化特征. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(1): 92- 98.

Microbial metabolic characteristics of carbon in the black soil parent material maturation process

ZHANG Zhiming, HAN Xiaozeng*

NationalObservationStationofHailunAgroecologySystem,NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Harbin150081,China

The northeastern region of China represents the country′s largest commodity grain base. The Mollisols present in this northeastern region are very suitable for farming. However, the loss of top layer Mollisols and exposure of parent material have severely threatened the ecological environment and national food security in northeastern China. The soil microbial biochemistry process is the engine required for the reconstruction for soil fertilizers. Thus, it is important to characterize the pattern of carbon utilization by soil microbial communities during the parent maturation process to understand how microbial processes contribute to soil fertility. This study focuses on the carbon utilization pattern of soil microbial communities under different long-term maturing treatments at the national observation station of the Hailun Agroecology System. The results showed that Parent-Alfalfa (PAlf), Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Biomass cycle (PCS+F+BM), and Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Oganic Matter (PCS+F+OM) treatments contained the highest number of microorganisms. Parent-Natural (PNat), PAlf, PCS+F+BM, and PCS+F+OM treatments increased microbial activity to the level recorded under conventional farmland treatment. Different maturing process treatments produced different carbon utilization patterns in the microbial community. In all treatments, the highest utilization rate of the carbon source was carbohydrate. Principal component analysis indicated that the microbial metabolic characteristics under PNat, Parent-No Fertilizer (PCS-F), PCS+F+BM, and PCS+F+OM processes were similar to that those under Stander Soil Corn-Soybean+Fertilizer (SCS+F) treatment. We conclude that the change in microbial community structure under different maturing processes caused variations in the carbon utilization pattern, which ultimately influenced the metabolism characteristics of the overall carbon sources.

black soil parent material; maturing processes; microbial; metabolic characteristics

公益性行業(農業)科研專項經費資助(201203030, 201303126)；國家自然科學基金資助(41371296)

2013- 12- 31;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201312313078

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xzhan@neigaehrb.ac.cn

張志明,韓曉增.黑土母質熟化過程微生物群落碳源代謝特征.生態學報,2015,35(21):6957- 6964.

Zhang Z M, Han X Z.Microbial metabolic characteristics of carbon in the black soil parent material maturation process.Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):6957- 6964.