微生物殘體在土壤有機(jī)碳形成和積累中的重要作用已經(jīng)逐漸成為共識。微生物殘體的產(chǎn)量在很大程度上取決于微生物代謝屬性的權(quán)衡。因此，微生物代謝屬性信息對于探索微生物C代謝過程與土壤C固存之間的內(nèi)在聯(lián)系至關(guān)重要。具有豐富高質(zhì)量植物輸入的土壤微生物熱點-根際通過誘導(dǎo)更快的微生物合成代謝過程，在微生物殘體的形成和迭代積累方面具有顯著優(yōu)勢，為從細(xì)微尺度上深入辨識微生物過程在土壤有機(jī)碳形成和累積中的關(guān)鍵調(diào)控作用提供了獨(dú)特的研究視角。但由于根系功能的分化，根際并不是一個均質(zhì)體，不同的根系功能模塊（即吸收根和運(yùn)輸根）根系生理代謝活性之間存在明顯差異，可以通過差異化影響周圍土壤微生物代謝活動，從而在微生物壞殘體形成和土壤碳固存中發(fā)揮不同的作用。然而，目前關(guān)于不同根系功能模塊如何通過差異化調(diào)控根際微生物C代謝過程而影響根際土壤有機(jī)碳形成和積累的專一性研究近乎一片空白，極大地限制了在細(xì)微尺度上對森林土壤C形成和固存機(jī)制的深入認(rèn)識與理解。
基于此，成都生物研究所尹華軍研究團(tuán)隊以西南亞高山典型的人工林云杉（Piceaasperata）為試驗對象，在兩個不同林齡（45和55年）的樣地中通過分離吸收根（1-3級細(xì)根）和運(yùn)輸根（4-5級細(xì)根）兩個根系功能模塊，量化并比較了吸收根和運(yùn)輸根根際微生物殘體C對土壤有機(jī)碳（SOC）的貢獻(xiàn)差異，并通過測定土壤微生物生長屬性（即微生物CUE（土壤碳利用效率）、生長速率、周轉(zhuǎn)速率）和投資屬性（即微生物呼吸商和胞外酶活性），闡釋這兩組微生物代謝屬性的權(quán)衡是否以及如何控制兩個根系功能模塊之間微生物殘體C對SOC的貢獻(xiàn)差異。研究結(jié)果表明：I）吸收根根際微生物殘體C對SOC的貢獻(xiàn)（32.9 ~ 37.5%）顯著高于運(yùn)輸根根際（27.7 ~ 30.5%），表明吸收根比運(yùn)輸根具有更大的促進(jìn)根際微生物殘體C積累的能力；II）與運(yùn)輸根相比，吸收根根際具有更高的微生物CUE、更快的生長和周轉(zhuǎn)速率、更低的呼吸商和酶投資，這表明吸收根支持了更高的微生物生長產(chǎn)量并產(chǎn)生更多的殘體。上述結(jié)果表明，根際微生物對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)在很大程度上取決于根系功能分化介導(dǎo)的微生物代謝屬性的權(quán)衡，本研究從根系功能分化的角度為微生物C代謝過程在調(diào)節(jié)根際土壤C固存中的關(guān)鍵作用提供了新穎的和直接的經(jīng)驗證據(jù)。
圖1吸收根和運(yùn)輸根根際微生物殘體碳(MNC)、真菌殘體碳(FNC)和細(xì)菌殘體碳(BNC)對土壤有機(jī)碳(SOC)的貢獻(xiàn)(a-c)及其根際效應(yīng)(RE) (d-f)。
圖2根際土壤特性、微生物殘體C對SOC的貢獻(xiàn)、微生物生長屬性和投資屬性之間的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣(a); 結(jié)構(gòu)方程模型描述了根際土壤特性如何通過影響微生物代謝屬性的權(quán)衡而改變根際微生物殘體C對SOC的貢獻(xiàn)(b)。
圖3吸收根和運(yùn)輸根如何通過改變微生物代謝屬性的權(quán)衡來影響微生物殘體的積累和對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)概念框架圖。
上述研究結(jié)果于2024年7月11日以“Microbial metabolic traits drive the differential contribution of microbial necromass to soil organic carbon between the rhizosphere of absorptive roots and transport roots”為題，在線發(fā)表于國際土壤學(xué)權(quán)威top期刊Soil Biology and Biochemistry上。成都生物研究所特別研究助理汪其同為論文第一作者，尹華軍研究員為論文通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院“西部之光”交叉團(tuán)隊項目、西藏自治區(qū)科技計劃項目和四川省自然科學(xué)基金的聯(lián)合資助。