土壤生態(tài)組在土壤食物網(wǎng)促進光合碳轉(zhuǎn)化與固存研究方面取得進展
????在應對全球氣候變化與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)中，如何通過農(nóng)業(yè)管理措施提升土壤碳匯能力、優(yōu)化碳循環(huán)過程，成為保障土壤生態(tài)功能與資源高效利用的核心問題。作物通過光合作用固定大氣中的 CO?（光合碳）是土壤碳固存的重要前體，而秸稈還田作為典型的保護性農(nóng)業(yè)措施，既能補充土壤碳源與養(yǎng)分，又能激活土壤食物網(wǎng)。為此，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所土壤健康維持機制與生物調(diào)控途徑創(chuàng)新組群在遼寧沈陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，利用田間試驗與13C同位素標記微區(qū)試驗（圖1），系統(tǒng)探究了秸稈還田條件下土壤食物網(wǎng)介導的光合碳轉(zhuǎn)化及土壤碳固存的調(diào)控機制。
圖1?標記同位素碳在作物-土壤-土壤食物網(wǎng)中流動、轉(zhuǎn)化和固存過程的概念圖
主要的研究亮點如下：
l? 秸稈還田提升土壤有機碳、重塑土壤食物網(wǎng)、激發(fā)光合碳的高效轉(zhuǎn)化
秸稈還田使土壤顆粒有機碳（POC）和礦物結合態(tài)有機碳（MAOC）含量顯著提高 30.96% 和 11.39%，同時也改變了土壤食物網(wǎng)生物群落組成，微生物、小型和中型土壤動物間形成更緊密的營養(yǎng)級聯(lián)關系。秸稈還田通過“原生碳分解”與“新碳輸入”的共同作用，激發(fā)了光合碳向土壤中的輸入轉(zhuǎn)化以及土壤碳固持。
l? 小型土壤動物作為“橋梁”是碳轉(zhuǎn)化更新的核心調(diào)控者
對土壤碳更新貢獻的量化分析顯示，與土壤微生物和中型土壤動物相比，小型土壤動物（線蟲）對土壤碳更新的貢獻率更高，達 60.52%（圖2）。小型土壤動物作為“中介者”在土壤微生物和中型土壤動物之間搭建了一個橋梁，通過增強土壤食物網(wǎng)內(nèi)部的協(xié)同效應促進了土壤活性碳（POC）與穩(wěn)定碳（MAOC）的周轉(zhuǎn)，影響二者之間的權衡關系，成為碳轉(zhuǎn)化的核心調(diào)控者。
圖2? 13C的相對轉(zhuǎn)化率以及土壤食物網(wǎng)各類群對碳轉(zhuǎn)化的相對貢獻
l? 作物-土壤-土壤食物網(wǎng)協(xié)同驅(qū)動和調(diào)控碳固存過程
對光合碳轉(zhuǎn)化路徑的追蹤結果表明，光合碳通過“作物→土壤→土壤食物網(wǎng)”這一鏈條進行高效周轉(zhuǎn)，同時細菌分解通道促進了 POC 的快速更新，真菌分解通道促進了 MAOC的穩(wěn)定積累（圖3）。作物-土壤-土壤食物網(wǎng)的協(xié)同效應，促進了光合碳在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化和固存。
圖3?秸稈還田（SR）條件下土壤食物網(wǎng)不同營養(yǎng)類群對顆粒有機碳（POC）
和礦物結合態(tài)有機碳（MAOC）的作用
綜上，該研究率先明確了“秸稈還田→土壤食物網(wǎng)重構→光合碳高效轉(zhuǎn)化→土壤碳固存”的鏈式調(diào)控機制，證實秸稈還田通過激發(fā)效應與更新效應的協(xié)同作用，推動光合碳向土壤穩(wěn)定碳庫分配，且小型土壤動物在其中發(fā)揮核心調(diào)控作用。研究結果為優(yōu)化保護性農(nóng)業(yè)措施、提升農(nóng)田土壤碳匯能力提供了關鍵的生物學依據(jù)，同時也為理解“地上—地下生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控”機制提供了新視角。
該研究成果以“Stover return enhances the transformation and sequestration of photosynthetic carbon through regulating soil food web”為題，發(fā)表于SCI期刊《Journal of Cleaner Production》（Ⅰ區(qū)，影響因子10.0）。土壤生態(tài)組已畢業(yè)的田藝佳博士為第一作者，張曉珂研究員為通訊作者。土壤生態(tài)組的梁文舉研究員和李琪研究員，東北師范大學的寇新昌副教授以及沈陽農(nóng)業(yè)大學的安婷婷副教授和孫良杰老師也參與指導了該項工作。研究得到國家自然科學基金聯(lián)合基金項目（U22A20501）、國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFD1500600）等項目的資助。
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