東北地理所在礦物和微生物碳泵聯(lián)合調(diào)控空間尺度黑土農(nóng)田土壤有機(jī)碳積累的研究中取得進(jìn)展
在中國(guó)東北黑土帶上，氣候條件、土壤性質(zhì)和土地管理方式等多因素共同作用造成土壤有機(jī)碳含量顯著的空間分布差異。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳積累還受種植制度等農(nóng)田管理方式的影響。然而，農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量及其不同碳庫(kù)和來(lái)源的空間分布規(guī)律及其變異驅(qū)動(dòng)機(jī)制依然不清。針對(duì)以上問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李祿軍研究員團(tuán)隊(duì)以東北典型黑土（Mollisols）農(nóng)田為研究對(duì)象，采集典型黑土帶不同種植制度的農(nóng)田土壤樣品，旨在揭示黑土農(nóng)田土壤有機(jī)碳積累及其穩(wěn)定性空間變異的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
研究發(fā)現(xiàn)，不同種植制度下土壤微生物殘?bào)w和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MAOC）隨著年均溫度的增加而下降，且共同作為土壤有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)者（圖1和2）。值得注意的是，土壤微生物殘?bào)w和MAOC積累表現(xiàn)出不同的環(huán)境調(diào)控機(jī)制（圖3）。其中，微生物殘?bào)w積累主要受微生物性質(zhì)（61%）和土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)難降解性（31%）調(diào)控，而MAOC形成則受微生物殘?bào)w（50%）和礦物保護(hù)作用（41%）聯(lián)合控制。進(jìn)一步通過(guò)分析土壤微生物殘?bào)w碳在不同碳庫(kù)（顆粒態(tài)有機(jī)碳，POC；MAOC）中的占比，發(fā)現(xiàn)較大比例的微生物殘?bào)w碳固存在MAOC中，同時(shí)微生物殘?bào)w碳也是POC積累的重要來(lái)源。此外，研究結(jié)果還表明，微生物殘?bào)w碳（27-37%）在MAOC中的比例大于植物源碳（<22%），證實(shí)了東北典型黑土帶上不同種植制度下土壤MAOC積累的兩步途徑，即通過(guò)“微生物體內(nèi)周轉(zhuǎn)途徑”為其提供重要前體—微生物殘?bào)w，隨后利用非晶質(zhì)鐵鋁氧化物（Fe+Al）和交換性Mg2+的礦物穩(wěn)定機(jī)制將微生物殘?bào)w固存在土壤中。
路徑分析結(jié)果顯示，農(nóng)田土壤有機(jī)碳受礦物和微生物碳泵的協(xié)同作用調(diào)控，并由礦物穩(wěn)定最終決定土壤有機(jī)碳積累（圖4）。其中，土壤微生物碳泵控制微生物源碳的供給，礦物碳泵則決定微生物殘?bào)w碳通過(guò)有機(jī)-礦物結(jié)合作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的效率和持久性。因此，土壤有機(jī)碳積累的主要途徑由土壤MAOC增加主導(dǎo)，該過(guò)程受土壤微生物殘?bào)w和礦物保護(hù)作用共同調(diào)控。該研究加強(qiáng)了對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制的深入理解。在未來(lái)持續(xù)變暖的氣候條件下，改善土壤微生物代謝效率、促進(jìn)土壤微生物殘?bào)w積累、增強(qiáng)礦物穩(wěn)定能力的農(nóng)業(yè)管理措施能有效促進(jìn)土壤有機(jī)碳固定。
相關(guān)論文以“Coupled mineral and microbial carbon pumps govern soil organic carbon accumulation in croplands at a large spatial scale”為題，在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Soil Biology and Biochemistry。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所特別研究助理戴閃閃，通訊作者為李祿軍研究員，合作者還包括東北地理所何朋、張雪仙、朱冰雪特別研究助理，張志明項(xiàng)目高級(jí)工程師，在讀博士生王丹丹，以及東北地理所劉俊杰、宋開(kāi)山研究員。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金集成項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目等的聯(lián)合資助。
論文信息：Dai S.S., He P., Zhang Z.M., Wang D.D., Zhang X.X., Zhu B.X., Song K.S., Liu J.J., Zhu-Barker X., Li L.J., 2026. Coupled mineral and microbial carbon pumps govern soil organic carbon accumulation in croplands at a large spatial scale, Soil Biology and Biochemistry, 110236.
圖1 黑土帶上土壤有機(jī)碳的空間分布特征及不同碳庫(kù)（顆粒態(tài)有機(jī)碳，POC；礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，MAOC）和碳源（木質(zhì)素酚，lignin phenols；氨基糖，amino sugars）與氣候因素之間的關(guān)系
圖2 黑土帶上土壤有機(jī)碳與不同碳庫(kù)（顆粒態(tài)有機(jī)碳，POC；礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，MAOC）和碳源（木質(zhì)素酚，lignin phenols；氨基糖，amino sugars）之間的關(guān)系
圖3 影響土壤微生物殘?bào)w（a, c-g）和礦物結(jié)合態(tài)碳（b, h-k）積累的關(guān)鍵因素
圖4 影響土壤有機(jī)碳積累的關(guān)鍵生物和非生物途徑
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