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木质素分解酶:氮沉降影响凋落物分解的关键调节者
来源:生态中心 作者:朱霞 时间:2010-05-24

酶是土壤中生物化学过程的推导者,在全球碳循环过程中扮演着重要角色,它主要来源于土壤微生物和植物根系的分泌物及动植物残体分解释放过程。生态系统中碳主要存在于芳香族化合物(木质素)、多糖(纤维素)和脂肪族化合物中。但是,由于芳香族化合物(木质素)是一类难分解性大分子化合物,存在于该类化合物中的碳难于直接进入生态系统碳循环之中,极大的影响着整个生态系统的结构功能及全球碳循环。因此,研究与芳香族化合物(木质素)分解相关的木质素酶就成为了当今科学家们的研究热点之一。

目前,一些研究表明,氮沉降增加了木质素分解活性,加速了凋落物和土壤有机质的降解(Ecosystems, 12: 1-15, 2009),而另外一些研究报道氮沉降对木质素分解酶的活性影响不明显或者抑制(Soil Biol Biochem, 36: 965 -971, 2004)。目前认为,产生这一矛盾现象的原因主要是生态系统的木质素含量不同造成的。当生态系统中木质素含量高(>30%)时,氮沉降降低了木质素分解酶活性,而当生态系统中木质素含量低(<25%)时,氮沉降则增加了木质素分解酶活性。

为什么生态系统木质素含量不同,氮沉降对木质素分解酶活性的影响会有如此大的差异呢?许多研究者解释这是因为氮沉降增加了土壤中NO3-浓度,而土壤中NO3-能够抑制产生木质素分解酶的白腐真菌的生长,在木质素含量低(<25%)的生态系统中,木质素分解酶主要来自白腐真菌,因此当白腐真菌被抑制时,木质素分解酶活性表现出被抑制;而在木质素含量高(>30%)的生态系统中,木质素分解酶除了来自白腐真菌外还来自其他种类的细菌、真菌,因此即使氮沉降抑制了白腐真菌生长,木质素分解酶活性也不一定减弱,反而是增加或者无影响。但是,为什么在生态系统中木质素含量不同,微生物群落结构和功能会发生如此迥然的差异呢?木质素与微生物之间究竟存在何种千丝万缕的联系呢?在木质素含量高的生态系统中,氮沉降降低了木质素的分解,随着生态系统的演替发展,该种生态系统中土壤碳储存会越来越多,当土壤碳储量增多后,生态系统的植被群落和微生物群落及功能又会发生怎样的变化呢?生态系统的植被变化和微生物变化对全球气候又将产生怎样的影响呢?而在木质素含量低的生态系统中,氮沉降加快木质素的分解,整个生态系统的碳素代谢加快,土壤碳库累积减少,当生态系统发展到一定时期的时候,土壤碳库储量是维持在原有水平还是减少了呢?如果氮沉降使得土壤碳库储量减少,那么整个生态系统的演替方向是向更高级的生态系统(如森林生态系统)进化还是向更低级的生态系统(如苔原生态系统)退化呢?对于以上系列的问题与假设,目前尚缺乏有力的科学依据进行一一解答与证实,因此,未来科学的发展迫切需要研究者们致力于更深层次的系统研究。

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