大气CO2浓度升高条件下作物光合碳在黑土中转化过程及微生物群落结构特征

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1、博士学位论文大气CO2浓度升高条件下作物光合碳在黑土中转化过程及微生物群落结构特征作者姓名：王艳红指导教师:金剑研究员中国科学院东北地理与农业生态研究所学位类别:理学博士学科专业:生态学培养单位:中国科学院东北地理与农业生态研究所2018年6月TheeffectofelevatedCO2concentrationontheturnoverofphotosyntheticallyfixedcarbonandrelevantbacterialcommunitycharacteristicsinMollisolsAdissertationsubmittedtoUnive

2、rsityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofNaturalScienceInEcologyByWangYanhongSupervisor:ProfessorJinJianNortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciencesJune,2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的

3、成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中国科学院有权保留送交学位论文的副本，允许该论文被查阅，可以按照学术研究公开原则和保护知识产权的原则公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。涉密及延迟公开的学位论文在解密或延迟期后适用本声明。作者签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要

4、大气二氧化碳（CO2）浓度升高促进植物的光合作用过程，并改变植物光合同化碳向土壤中释放的质和量。在根际，根系脱落物为土壤微生物提供基础的养分和能量来源，高CO2浓度条件下根际及根系沉积物数量和质量的改变会相应影响到土壤微生物的活性、群落结构及功能。还田的秸秆在土壤微生物的作用下进行分解矿化，CO2浓度升高导致植物残体内物质组成发生相应的改变，继而引起参与降解残体微生物群落结构的响应。鉴于土壤微生物在影响土壤养分循环方面的关键作用，大气CO2浓度升高条件下参与植物光合同化碳转化的土壤微生物将很大程度上影响未来气候变化条件下土壤碳库的稳定性。本论文旨在揭示大气CO2浓

5、度升高对作物光合碳在黑土中的转化过程及与之相关的细菌群落结构特征的影响。研究采用13C稳定同位素示踪技术结合Illumina高通量测序技术解析参与大豆光合碳转化的土壤细菌群落结构特征，明确不同CO2浓度条件下利用大豆光合碳的根际细菌群落结构及多样性差异。利用成熟后的作物秸秆在土壤中分解转化，阐释CO2浓度升高导致不同作物外源碳输入对土壤碳含量的影响，明确残体碳向土壤颗粒有机碳库组分的分配特征以及与之相关的细菌群落结构动态变化过程。揭示大气CO2浓度升高时黑土农田作物光合碳转化与细菌群落结构特征的耦合关系。具体研究结果如下：1、应用13CO2标记大豆植株，利用DNA

6、-SIP技术分离代谢大豆光合同化碳的细菌群落，利用高通量测序技术比较不同CO2浓度下细菌群落多样性和结构差异。结果表明，高CO2浓度显著降低黑土根际土壤中利用大豆光合同化碳的细菌丰富度和多样性。高CO2浓度降低快速生长型细菌属的相对丰度，包括Pseudarthrobacter、Gaiellales_uncultured、Gemmatimonas和Acidobacteriaceae_uncultured，但是增加可降解复杂物质的细菌属的相对丰度，包括Novosphingobium、Acidimicrobiales_uncultured、Bacillus、Flavis

7、olibacter和Schlesneri。根际土壤细菌群落结构的演替变化可能与高CO2浓度引起的植物光合同化碳源的改变有关。2、连续三年将生长于高CO2浓度下的大豆秸秆还田到有机质含量不同的黑I大气CO2浓度升高条件下作物光合碳在黑土中转化过程及微生物群落结构特征土中。结果表明，大气CO2浓度升高能增加秸秆有机物向土壤中的还田量，同时增加土壤颗粒态有机碳（粗POC和细POC组分）组分内的碳含量，但颗粒态有机碳组分的碳含量增加对土壤全碳含量的影响并不显著。还田的秸秆碳在高有机质含量黑土上显著增加了粗POC、细POC和MOC组分中碳含量，在低有机质含量黑土上仅显著增加

8、了MOC组