喀斯特土壤碳固定微生物調控機制獲揭示

在高強度耕作擾動向大規模植被恢復轉變背景下，我國西南喀斯特地區成為全球變綠的“熱點區”，植被碳匯能力顯著提升。但土壤碳固定效應及驅動機制還缺乏充分認識，制約后期重大生態工程深入實施及土壤固碳增匯目標的實現。

喀斯特植被恢復驅動的土壤碳匯效應及微生物調控機制與非喀斯特區域是否存在區別，尚缺乏深入研究。中國科學院亞熱帶農業生態研究所王克林研究員團隊的系列研究，揭示了喀斯特土壤碳固定的微生物調控機制，證實氣候變化背景下植被恢復在西南喀斯特區具有較大的土壤碳固定和穩定潛力，為喀斯特生態系統固碳增匯優化管理提供了重要依據。1月21日，系列研究的最新一篇論文以“Lithologic control of microbial-derived carbon in forest soils”為題，發表于土壤學領域期刊《土壤生物學與生物化學》（Soil Biology and Biochemistry）上，亞熱帶生態所胡培雷博士為論文第一作者，王克林研究員和張偉研究員為通訊作者。

微生物在土壤固碳過程中起關鍵樞紐作用，它既能通過分解代謝向大氣中釋放碳，又能通過合成代謝將外源碳以微生物殘體形式儲存于土壤中。喀斯特碳酸鹽巖快速風化參與生態系統物質循環，關鍵帶各圈層物質循環快速、互饋作用顯著，土壤礦物組成及微生物區別于非喀斯特區，進而可能影響土壤有機碳穩定和固持。

以往研究認為，微生物殘體碳易與土壤礦物結合，是土壤有機碳的重要穩定機制。王克林研究員團隊通過分析礦質結合態和顆粒態有機質中的微生物殘體碳含量，以此表征受保護的和未受保護的微生物源碳。研究發現，微生物源碳并不都是穩定存在的，未受保護的組分更容易被分解利用。同時發現，植被恢復背景下，石灰巖比碎屑巖更有利于微生物源碳累積（高52%至56%），并且受保護的微生物源碳（即礦質結合態微生物殘體碳）對溫度變化的抵抗力更高。石灰巖通過調控鈣、鐵和微生物，促進微生物源碳累積和穩定。

研究團隊對比耕地發現，長期耕作擾動顯著損耗喀斯特土壤有機碳和微生物源碳庫，且降低了微生物源碳對溫度變化的抵抗力。這凸顯了喀斯特退化生態系統植被恢復對于提升土壤碳固定和穩定的重要性。研究人員將研究結果進一步拓展到西南三省，發現在植被恢復大背景下，即使喀斯特區域土壤體積遠小于非喀斯特區域，其表層土壤（0厘米至15厘米）固定的微生物源碳仍顯著高于碎屑巖，且碳庫質量更高；進一步深入分析兩種巖性背景下土壤微生物群落結構、連接性和穩定性，發現喀斯特森林細菌和真菌多樣性高于非喀斯特森林，且細菌和真菌群落之間的連接性和穩定性優于非喀斯特森林；進一步分析參與氮磷循環的關鍵功能微生物固氮菌和叢枝菌根真菌，發現喀斯特植被恢復背景下固氮菌和叢枝菌根真菌相互作用增強，群落結構更穩定，有利于提高植物對土壤養分的吸收利用效率。

同時，研究團隊發現，喀斯特植被恢復驅動下，固氮菌和叢枝菌根真菌網絡結構復雜度隨溫度和降雨的增加而增加，有利于維持生態系統的穩定性，抵消了區域溫度增加加速土壤碳庫分解的負面效應，并進一步驗證了喀斯特高pH和高鈣環境是植被恢復背景下微生物多樣性和穩定性增加的主導因素，相關研究成果分別發表在《整體環境科學》（Science of The Total Environment）、《森林生態與管理》（Forest Ecology and Management）、《應用土壤生態學》（Applied Soil Ecology）等期刊上。

“微生物來源碳是當下土壤碳固定的熱點問題。文章選擇中國西南地區典型的石灰巖和碎屑巖為研究區，并探討了一個很重要但極少被關注的問題，即巖性-母質對微生物來源碳的調控。”最新一篇論文的審稿人認為，文章闡述了巖性對不同氣候區微生物來源碳的調控機制，不僅增加了業界對土壤微生物來源碳的認識，還提出可以通過考慮基于巖性的調控管理措施來減少碳排放。該研究及時填補了不同植被類型（耕地和森林）和不同基巖（石灰巖和碎屑巖）下土壤微生物來源碳的研究不足。

上述研究得到了國家自然科學基金重點基金、區域聯合重點基金以及廣西自然科學基金等項目的支持。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108600

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153179

https://doi.org/10.1016/j.foreco.2021.119464