土壤是最大的陸地有機(jī)碳儲(chǔ)存庫(kù)，維持其長(zhǎng)期固碳功能對(duì)減緩氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力和生產(chǎn)力至關(guān)重要。微生物將植物源輸入轉(zhuǎn)化為持久性土壤有機(jī)碳是追蹤土壤碳足跡的一個(gè)十分關(guān)鍵但又鮮為人知的過程。微生物產(chǎn)物，主要是微生物殘?bào)w，在不同生態(tài)系統(tǒng)中約占SOC庫(kù)的30-80%，從而在土壤碳固存中發(fā)揮關(guān)鍵作用。根據(jù)當(dāng)代有機(jī)碳理論，具有豐富高質(zhì)量植物輸入的土壤微生物熱點(diǎn)通過刺激更快的微生物“體內(nèi)”周轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致微生物殘?bào)w形成和迭代積累的壓倒性優(yōu)勢(shì)。相應(yīng)地，根際作為一個(gè)由植物根系高質(zhì)量碳輸入形成的獨(dú)特的土壤微生物熱點(diǎn)，很可能導(dǎo)致高效的微生物生長(zhǎng)和殘?bào)w積累以及對(duì)土壤有機(jī)碳的高貢獻(xiàn)。然而，到目前為止，根際這種壓倒性的潛力尚未得到大規(guī)模的驗(yàn)證，因?yàn)榇蠖鄶?shù)先前的土壤碳動(dòng)態(tài)研究通常將根際和非根際土壤視為一個(gè)有機(jī)整體，而忽略了根際微生物碳代謝過程在土壤有機(jī)碳形成和穩(wěn)定中的關(guān)鍵作用。而且對(duì)影響根際微生物殘?bào)w積累的環(huán)境因素知之甚少。填補(bǔ)這些知識(shí)空白不僅有助于預(yù)測(cè)根-土壤系統(tǒng)中的土壤碳動(dòng)態(tài)，而且可為制定在變化環(huán)境下加強(qiáng)土壤碳封存的實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。
基于此，成都生物研究所尹華軍研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)收集青藏高原典型高寒針葉林39個(gè)樣點(diǎn)的根際和非根際土壤樣品（圖1），量化了根際和非根際土壤中有機(jī)碳和氨基糖的濃度，并通過計(jì)算根際相對(duì)于非根際土壤中增加的氨基糖與增加的有機(jī)碳的比例（RAS/SOC）進(jìn)一步評(píng)估了微生物殘?bào)w對(duì)根際有機(jī)碳積累的貢獻(xiàn)程度。并通過收集氣候數(shù)據(jù)和測(cè)定根際土壤養(yǎng)分濃度和微生物生理性狀，揭示了變化環(huán)境下微生物生活史策略的轉(zhuǎn)變是否以及如何影響根際微生物殘殘?bào)w對(duì)SOC貢獻(xiàn)的變化。研究結(jié)果表明：Ⅰ）在所有采樣點(diǎn)中，根際土壤中SOC標(biāo)準(zhǔn)化氨基糖的平均濃度顯著高于非根際土壤，且平均RAS/SOC大于1，表明根際微生物殘?bào)w對(duì)有機(jī)碳庫(kù)的貢獻(xiàn)能力比非根際土壤更大（圖2）；Ⅱ）土壤養(yǎng)分有效性是影響RAS/SOC的主要因素，降水通過改變土壤養(yǎng)分狀況間接影響微生物合成代謝和RAS/SOC（圖3）。隨著根際土壤養(yǎng)分有效性的增加，微生物碳利用效率和生長(zhǎng)速率增加，但單位生物量胞外酶活性下降，表明隨著土壤養(yǎng)分有效性的增加，微生物傾向于采取高產(chǎn)策略（圖4）。上述研究結(jié)果在區(qū)域尺度上支持了根際具有較高的微生物殘?bào)w積累能力，強(qiáng)調(diào)了微生物代謝途徑在響應(yīng)土壤養(yǎng)分條件變化時(shí)影響根際有機(jī)碳形成和土壤碳源/匯功能的重要性。
上述研究結(jié)果近期以“Rhizosphere as a hotspot for microbial necromass deposition into the soil carbon pool”為題發(fā)表在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名期刊Journal of Ecology (2024)上。該論文第一作者為成都生物研究所特別研究助理汪其同（現(xiàn)為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授），通訊作者為尹華軍研究員和西北工業(yè)大學(xué)張子良教授。論文的合作者還包括沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所梁超研究員、西澳大學(xué)Hans Lambers教授、北京大學(xué)朱彪研究員等。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目、中科院“西部之光”交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目和西藏自治區(qū)科技計(jì)劃等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
本研究成果是團(tuán)隊(duì)近年來關(guān)注高寒森林根際土壤碳匯功能與調(diào)控機(jī)制以來（Journal of Ecology 2022；Soil Biology and Biochemistry, 2024, 2021），在該領(lǐng)域取得的又一重要研究進(jìn)展。上述系列研究成果根際視角揭示了高寒森林根系活動(dòng)介導(dǎo)的土壤微生物殘?bào)w碳積累能力的變化規(guī)律和調(diào)控機(jī)制，豐富和拓展了森林根際土壤碳動(dòng)態(tài)過程及其理論體系的科學(xué)認(rèn)知，為構(gòu)建和完善陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型提供重要科學(xué)依據(jù)。
圖1 39個(gè)高寒針葉林采樣點(diǎn)分布圖
圖2 根際和非根際土壤間氨基糖和有機(jī)碳的相對(duì)變化，根際相對(duì)于非根際增加的氨基糖與增加的SOC的比值（RAS/SOC）（a）；RAS/SOC的頻率分布圖（b）
圖3氣候因子、根際土壤養(yǎng)分有效性、微生物生理特性與RAS/SOC的關(guān)系。
圖4 土壤養(yǎng)分有效性如何通過影響微生物生活史策略而調(diào)控根際土壤微生物殘?bào)w積累能力的概念框架圖