Resources, Environment and Sustainability丨辛国荣教授团队揭示作物残体分解驱动土壤碳循环的微生物机制

       近日，中山大学农业与生物技术学院辛国荣教授团队在《Resources, Environment and Sustainability》（JCR Q1，IF=9.2）发表题为“Microbial-mediated dynamic decoupling between SOC accumulation and stability during crop residue decomposition”的研究论文，揭示了农田生态系统中作物残体分解过程中土壤有机碳动态变化的微生物驱动机制。

       研究以意大利黑麦草残茬为对象，探究禾本科作物残体分解过程中微生物介导的土壤有机碳积累与稳定性之间的动态解耦机制。残体分解过程中，土壤有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳的含量呈先增加后降低的趋势，在28～42天达到峰值（图1）。

图1 作物残体分解过程中土壤有机碳组分的变化

       与土壤有机碳含量的变化趋势相反，有机碳稳定性在作物残体分解过程中呈现出相反的趋势（图2）。表现为土壤有机碳分子结构中烷基碳与烷氧基碳的比值以及疏水性随作物残体的分解呈先下降后上升的趋势。

图2 作物残体分解过程中土壤有机碳分子结构及稳定性的变化

       与无残体分解的对照相比，作物残体分解过程中土壤真菌群落和酶活性成为影响土壤性质、碳组分和有机碳分子结构的主要影响因素（图3）。土壤细菌群落与微生物残体碳、植物源碳和土壤有机碳分子结构呈显著正相关，真菌群落和土壤酶活性则与不同碳组分及有机碳分子结构呈显著正相关。碳水化合物活性酶基因也与不同碳组分呈显著正相关。偏最小二乘路径分析模型结果表明，土壤性质对细菌和真菌群落有直接的正效应。细菌群落通过正向调控碳水化合物活性酶基因的表达，从而正向影响土壤酶活性，进而提高土壤有机碳含量。真菌群落对土壤有机碳含量及稳定性也有直接的正向影响。

图3 不同处理土壤细菌与真菌群落、酶活性、碳水化合物活性酶基因及环境因子的Mantel相关性检验，以及土壤性质、细菌和真菌群落、酶活性、碳水化合物活性酶基因、土壤有机碳含量及其稳定性的偏最小二乘路径分析模型

图4 作物残体分解过程中土壤有机碳含量和稳定性的动态变化

       上述研究揭示了作物残体分解过程中土壤有机碳变化的微生物驱动机制（图4）：残体分解的早期以r策略微生物的影响为主，驱动活性碳快速周转与短期碳积累；后期K策略微生物功能特征凸显，通过微生物残体的形成与芳香族化合物的相对富集实现有机碳在土壤中的稳定化。研究揭示了作物残体分解过程中由微生物介导的土壤有机碳积累与稳定性之间的动态解耦现象，为理解残体输入如何驱动土壤固碳提供了新见解。

       中山大学农业与生物技术学院为第一单位，2022级博士研究生曹孟岩为论文第一作者，辛国荣教授与何春桃副教授为通讯作者，团队博士后项瑶、博士生黄凌岳及硕士生王浩林共同参与此研究，广州艾米生态农业科技有限公司提供了研究基地，研究工作得到国家自然科学基金项目支持（32171683）。

       论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666916126000757

初稿：曹孟岩     初审：何春桃、辛国荣     审核：肖仕      终审：杨德胜