土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)是維持土壤肥力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫之一。根據(jù)來源、周轉(zhuǎn)特征和穩(wěn)定機(jī)制的差異,土壤有機(jī)質(zhì)通常可分為顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)和礦物結(jié)合有機(jī)質(zhì)(MAOM)。近年來,越來越多研究表明,微生物不僅參與有機(jī)質(zhì)分解,也在穩(wěn)定性有機(jī)質(zhì)形成過程中發(fā)揮重要作用。然而,在大尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,微生物如何影響POM和MAOM的形成及穩(wěn)定,仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)(圖1)。
針對這一問題,中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所王超研究團(tuán)隊(duì),以遼寧省境內(nèi)長期種植玉米或水稻的農(nóng)田為研究對象,開展大規(guī)模采樣(444個(gè)樣點(diǎn)),系統(tǒng)分析了氣候因素、土壤理化性質(zhì)和微生物特征與SOM組分的關(guān)系。研究結(jié)合基因組和生物標(biāo)志物等技術(shù),從微生物群落組成、多樣性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、生物量和微生物殘?bào)w等多個(gè)維度,定量解析微生物對POM和MAOM形成的貢獻(xiàn)。此外,研究進(jìn)一步整合全球170篇文獻(xiàn)中的2438組觀測數(shù)據(jù),采用Meta分析方法,驗(yàn)證微生物特征與土壤有機(jī)質(zhì)組分關(guān)系在全球尺度上的普適性。
研究結(jié)果顯示,微生物特征可解釋24%的POM變異和62%的MAOM變異。其中,微生物生物量是預(yù)測POM和MAOM動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵微生物因子,微生物殘?bào)w則是預(yù)測MAOM動(dòng)態(tài)的重要因子(圖2)。研究還發(fā)現(xiàn),微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要通過影響微生物生物量和殘?bào)w積累,間接調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)組分的形成(圖3)。與真菌相比,細(xì)菌類群與土壤有機(jī)質(zhì)組分之間表現(xiàn)出更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性(圖4)。全球Meta分析進(jìn)一步支持了上述發(fā)現(xiàn),表明微生物對土壤有機(jī)質(zhì)組分形成的調(diào)控作用具有較強(qiáng)的普遍性(圖5)。
該研究系統(tǒng)量化了微生物特征對不同土壤有機(jī)質(zhì)組分形成的貢獻(xiàn),揭示了微生物在農(nóng)田土壤碳庫形成和穩(wěn)定中的關(guān)鍵作用。研究結(jié)果表明,農(nóng)田土壤碳庫管理不僅應(yīng)關(guān)注植物碳輸入和土壤理化性質(zhì),也應(yīng)重視微生物生物量、微生物殘?bào)w積累及關(guān)鍵微生物類群的調(diào)控。該研究為將微生物過程納入土壤碳、氮循環(huán)模型提供了理論依據(jù),也為提升農(nóng)田土壤固碳能力和推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)管理提供了科學(xué)支撐。
相關(guān)研究成果以“Quantifying microbial contribution to particulate and mineral-associated organic matter in cropland soils”為題發(fā)表在Fundamental Research期刊。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所助理研究員高美霞為第一作者,王超研究員為通訊作者,方運(yùn)霆研究員、張麗莉研究員、李國琛高級(jí)工程師等參與了該項(xiàng)工作。該研究得到重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃黑土專項(xiàng)、自然基金委優(yōu)青項(xiàng)目、興遼英才計(jì)劃和遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目等共同資助。
文章鏈接https://doi.org/10.1016/j.fmre.2026.04.027

圖1?農(nóng)田土壤顆粒和礦物結(jié)合有機(jī)質(zhì)的微生物調(diào)控機(jī)制概念圖

圖2?環(huán)境、植物、土壤和微生物因子對土壤有機(jī)碳/氮組分的相對影響

圖3?土壤微生物特征調(diào)節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)組分的路徑圖

圖4?微生物物種與土壤有機(jī)質(zhì)組分的相關(guān)性分析

圖5?全球微生物生物量變化與土壤有機(jī)質(zhì)組分變化之間的關(guān)系




