沈陽生態(tài)所在土壤食物網(wǎng)對(duì)有機(jī)碳固存的生物調(diào)節(jié)機(jī)制方面取得新進(jìn)展
外源有機(jī)碳輸入是影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的重要因素之一,在提升土壤有機(jī)質(zhì)水平的同時(shí),能夠?yàn)橥寥朗澄锞W(wǎng)提供大量碳源。土壤食物網(wǎng)作為土壤生態(tài)過程重要的參與者之一,通過取食作用能夠調(diào)控微生物的群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)過程。迄今,有關(guān)秸稈還田后土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的生物調(diào)控研究多偏重于微生物群落,而土壤微生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)理論認(rèn)為微生物殘?bào)w是土壤穩(wěn)定有機(jī)碳庫的重要貢獻(xiàn)者,然而有關(guān)土壤食物網(wǎng)在調(diào)控土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)過程中的作用鮮有報(bào)道,營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的級(jí)聯(lián)效應(yīng)被低估甚至忽略。此外,土壤食物網(wǎng)如何調(diào)控微生物碳泵進(jìn)而影響有機(jī)碳周轉(zhuǎn)過程也尚未厘清,土壤生物學(xué)固碳調(diào)節(jié)機(jī)制亟需完善(圖1)。
為探討外源有機(jī)碳輸入后土壤食物網(wǎng)對(duì)有機(jī)碳固存的生物調(diào)節(jié)機(jī)制,土壤生態(tài)組團(tuán)隊(duì)與生態(tài)系統(tǒng)微生物學(xué)團(tuán)隊(duì)合作,依托“中國(guó)科學(xué)院保護(hù)性耕作研發(fā)基地”的免耕長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究平臺(tái),通過碳穩(wěn)定同位素示蹤室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了外源有機(jī)碳在土壤食物網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)、轉(zhuǎn)化與固定的生物學(xué)途徑,探究了土壤食物網(wǎng)內(nèi)能量流動(dòng)的“來龍去脈”,解析了生物調(diào)控作用下外源有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳的關(guān)鍵過程。研究結(jié)果表明,外源有機(jī)碳輸入后,土壤食物網(wǎng)能夠促進(jìn)土壤有機(jī)碳庫的“更新”過程,土壤生物在土壤有機(jī)碳循環(huán)的過程中既是驅(qū)動(dòng)者也是貢獻(xiàn)者。其中,32%的外源有機(jī)碳以微生物殘?bào)w的形式作為“新碳”更新了土壤有機(jī)碳庫,且通過分析礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的比值,證明了土壤食物網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的“更新效應(yīng)(Renewal effect)”促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。此外,研究發(fā)現(xiàn)土壤食物網(wǎng)中的上層營(yíng)養(yǎng)級(jí)只是通過對(duì)微生物的捕食作用將外源碳固定到體內(nèi),作為新碳的“臨時(shí)存儲(chǔ)器(Temporary storage container)”,依靠“個(gè)體死亡—微生物的分解和代謝—微生物殘?bào)w形成”的過程,對(duì)有機(jī)碳的更新做出貢獻(xiàn)。綜上,在土壤食物網(wǎng)對(duì)外源有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的貢獻(xiàn)中,微生物的分解和代謝合成是新碳的“生產(chǎn)泵(Production pump)”,食物網(wǎng)間的級(jí)聯(lián)效應(yīng)是外源有機(jī)碳流動(dòng)的“驅(qū)動(dòng)泵(Driving pump)”,微生物殘?bào)w的形成和續(xù)埋作用是新碳的“累積泵(Formation pump)”(圖2),這些過程的發(fā)生實(shí)現(xiàn)了外源有機(jī)碳從不穩(wěn)定生物碳庫到穩(wěn)定生物碳庫的轉(zhuǎn)換,是提升土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的重要生物調(diào)節(jié)機(jī)制。
研究成果以“Exogenous carbon turnover within the soil food web strengthens soil carbon sequestration through microbial necromass accumulation”為題,于2023年4月28日在線發(fā)表于Global Change Biology期刊上,土壤生態(tài)組已畢業(yè)博士研究生寇新昌為第一作者,土壤生態(tài)組張曉珂研究員和李琪研究員為共同通訊作者,荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)Elly Morrien博士, 沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所梁超研究員,梁文舉研究員,魯彩艷研究員,解宏圖研究員和田藝佳博士也參與了該項(xiàng)工作。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院盧嘉錫國(guó)際團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目以及沈陽生態(tài)所自主重大項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接:https://doi.org/10.1111/gcb.16749

圖1. 土壤食物網(wǎng)對(duì)土壤有機(jī)碳庫更新調(diào)控過程的概念圖

圖2. 外源有機(jī)碳輸入后土壤食物網(wǎng)對(duì)有機(jī)碳固存的生物調(diào)控過程