石灰施用通过甘氨酸而非葡萄糖和草酸增强杉木林土壤激发效应（Priming Effect）

本研究针对森林土壤酸化问题，通过模拟根系分泌物输入，探讨石灰施用对土壤有机碳激发效应（PE）的调控机制。研究发现，石灰处理显著提升土壤pH，仅甘氨酸诱导的激发效应在高剂量石灰下增强70%，表明石灰与含氮分泌物存在协同增效作用，为人工林土壤碳循环管理提供了理论依据。

　　

在全球气候变化背景下，土壤作为陆地生态系统中最大的有机碳库，其微小变化可能显著影响大气CO₂浓度。然而，土壤酸化问题日益严重，尤其在南方人工林区域，酸性沉降导致土壤pH下降，制约林木生长并影响土壤碳循环过程。石灰施用是缓解土壤酸化的常见措施，但其如何影响森林土壤的激发效应（Priming Effect, PE）——即外源有机物输入对土壤原生有机碳分解的促进作用，尚不明确。此外，根系分泌物作为连接植物与土壤微生物的关键载体，其不同类型（如糖类、氨基酸、有机酸）对激发效应的贡献可能存在差异，且与石灰处理的交互作用亟待揭示。

为探究上述问题，中国科学院森林生态与经营重点实验室的研究团队在《Geoderma》发表了题为“Liming enhances soil priming effect in Chinese fir plantation induced by glycine rather than glucose and oxalic acid”的研究论文。该研究依托湖南会同森林生态实验站三年期野外石灰试验（对照CK、低剂量L、高剂量H），采集杉木（Cunninghamia lanceolata）林土壤样品，通过90天室内培养实验，添加¹³C标记的葡萄糖、甘氨酸和草酸（添加量为土壤有机碳的2%），结合同位素标记技术、磷脂脂肪酸（PLFA）分析和土壤酶活性测定，系统评估了石灰与根系分泌物对土壤激发效应的交互作用。

主要技术方法包括：

1. 1.
   野外石灰试验设计：设置三种石灰剂量（0、1000、5000 kg hm^?2）的田间小区，三年后采集0-20 cm土层土壤；
2. 2.
   室内培养与气体采集：通过密闭培养系统定期采集CO₂，利用稳定同位素分析仪（Picarro G2131-I）测定δ¹³C值，区分分泌物来源与原生土壤有机碳分解；
3. 3.
   微生物生物量与群落结构：采用PLFA技术定量细菌和真菌生物量；
4. 4.
   酶活性检测：测定β-葡萄糖苷酶（βG）、N-乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（ACP）和酚氧化酶（PPO）活性。

研究结果

1. 1.
   石灰显著改善土壤理化性质
   高剂量石灰（H）使土壤pH从4.4升至5.4，交换性钙（Ca_ex）浓度提高56倍，总磷（TP）含量增加36%，土壤有机碳矿化速率（CMR）提升35%。但无机氮（NH₄⁺-N、NO₃^–-N）含量未发生显著变化。
2. 2.
   根系分泌物均诱导正激发效应，甘氨酸作用最强
   三种分泌物均引发正激发效应，强度顺序为：甘氨酸（51.6–89.8 μg C g^?1） > 葡萄糖（37.0–41.5 μg C g^?1） > 草酸（32.9–47.3 μg C g^?1）。甘氨酸在H处理下的激发效应显著高于葡萄糖和草酸116%和90%。
3. 3.
   石灰仅增强甘氨酸诱导的激发效应
   高剂量石灰使甘氨酸诱导的激发效应较对照提升70%，但对葡萄糖和草酸无显著影响。相关性分析显示，甘氨酸诱导的激发效应与土壤pH、CMR及NAG酶活性呈正相关，而葡萄糖和草酸无此规律。
4. 4.
   微生物响应与酶活性变化
   石灰处理未显著改变微生物总生物量，但草酸添加显著降低细菌和真菌生物量。仅甘氨酸处理在高剂量石灰下显著提升NAG酶活性，表明含氮分泌物可能通过缓解微生物氮限制刺激酶促反应。

讨论与结论

本研究揭示了石灰施用对土壤激发效应的调控具有分泌物类型依赖性：甘氨酸因其同时提供碳和氮（C:N≈1.7:1），能够协同石灰提升的pH环境，共同激发微生物活性与酶促作用（如NAG），从而增强原生有机碳分解；而葡萄糖和草酸仅提供碳源，可能加剧微生物养分失衡，未能产生协同效应。这一发现强调了根系分泌物化学组成在土壤碳循环中的关键作用，尤其是碳氮耦合对激发效应的驱动机制。

研究意义在于为人工林土壤管理提供了理论依据：石灰施用在缓解酸化的同时，可能通过改变植物-微生物互作（如根系分泌物组成）间接影响土壤碳稳定性。未来需关注长期石灰施用对氮磷循环的后续效应，以及微生物碳利用效率（CUE）和养分限制状态的直接证据。该成果对精准预测森林土壤碳库响应全球变化的模型构建具有重要价值。