亞熱帶生態所在稻田土壤生物固碳機制研究中獲系列進展

　　土壤有機碳絕大部分來自光合碳的輸入與轉化，光合碳通過根系周轉與根系分泌物等進入土壤碳庫。植物殘體和凋落物經過複雜的分解過程後形成土壤有機碳組分，秸稈還田與有機肥施用也是稻田土壤有機碳的重要來源，由於這兩部分的來源較為直接，目前已有較多研究，認識也較清楚。而來源於根系分泌物及其脫落物的根際沉積碳，由於其代謝周轉快，具有複雜性和多變性，儘管已有一些研究，但還不十分清楚這部分碳的命運（圖1）。另外，微生物可以通過多條固碳途徑進行CO₂同化，其中，卡爾文循環是光能自養生物與化能自養生物同化CO₂的主要途徑，在調節大氣CO₂濃度中發揮著重要的作用。而且，土壤中也存在相當數量的光能自養生物與化能自養生物。因此，稻田土壤微生物是否也存在其他固碳途徑，其對稻田碳循環的貢獻如何，更是缺乏系統的認識，處於灰箱狀態（圖1）。

　　基於此，近幾年來，中國科學院亞熱帶農業生態研究所農業生態過程方向研究團隊、長沙農業環境觀測研究站，在國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院、國家外國專家局創新團隊國際合作夥伴計劃等的資助下，整合¹⁴C同位素標記技術和微生物分子生態學技術（克隆文庫、T-RFLP及定量PCR），結合室內培養實驗與稻田長期定位試驗，聚焦於典型稻田生態系統的生物固碳過程與機制，從水稻光合碳的輸入、轉化（圖2）及其土壤微生物固碳功能及其生物學機制（圖3）兩方面開展工作，取得了一系列重要進展。

　　應用¹⁴CO₂連續示蹤技術，從光合碳的輸入與轉化，不同養分條件對光合碳傳輸的影響以及光合碳的分解動態三方面來揭示光合碳向土壤碳庫的輸入與轉化調節機制（圖2）。結果表明，在水稻拔節灌漿期內，通過水稻的根際沉積作用，有4-6%的光合碳進入土壤有機碳庫，這部分新碳對土壤可溶性有機碳的貢獻為2-4%，對土壤微生物生物量碳的貢獻為9-18%。同時，水稻光合碳的輸入抑制了稻田土壤原有有機碳的礦化分解，表現出明顯的負激發效應，這對維持稻田土壤的碳匯功能具有十分重要的作用，研究結果發表在Soil Biology & Biochemistry（Ge et al., 2012, 48: 39–49)。而且，不同施氮水平亦對水稻光合碳輸入及其在不同碳庫中分配產生影響，結果表明，在較高的施N水平下，水稻地上部對碳的積累能力相對較強，水稻光合碳通過根際沉積作用輸入到土壤中的¹⁴C-SOC的含量亦相對較高，施N水平明顯促進了水稻新鮮根際碳的沉積，且高氮水平下根際沉積的碳量高於低氮與中量氮水平。同時，水稻生長過程中，根系分泌物促進了土壤微生物生物量碳（MBC）的增加，施N水平顯著影響土壤MBC的更新率，而對DOC更新率的影響較小。研究結果發表在Plant and Soil（Ge et al., 2014, DOI: 10.1007/s11104-014-2265-8）。該研究量化了水稻光合碳輸入對土壤不同碳庫的貢獻，解析了光合碳在地下部的動態去向，研究為深入解析稻田碳循環及土壤微生物在光合碳轉化中的作用機制提供了重要的理論基礎。

　　在稻田土壤微生物固碳（同化大氣CO₂）功能方面，研究人員利用¹⁴C連續標記技術，結合密閉系統培養土壤開展工作（圖3），研究表明，無論是80d還是110d的培養期，在光照處理下，農田土壤微生物均具有可觀的CO₂同化能力，據估算，他們的CO₂日同化速率在0.01-0.1gCm⁻²之間。如果推算到全球陸地生態系統，理想狀態下，全球陸地生態系統土壤微生物的年碳同化量在0.3-3.7Pg。然而，遮光處理的土壤，其微生物的碳同化功能被完全抑制了。研究結果發表在Geochimica et Cosmochimica Acta（Ge et al., 2013, 113: 70–78）。同時，研究表明，土壤微生物的光合固碳作用只發生在表層土壤，但表層同化碳可以向下傳輸，這可能為底層的化能自養微生物提供碳源和電子供體，從而誘導化能自養微生物參與碳同化過程，從而揭示了土壤微生物光能、化能自養固碳的雙重協同機制。研究結果發表在Applied Microbiology and Biotechnology（Wu & Ge et al., 2014, 98: 2309–2319）。

　　同時，通過克隆文庫、T-RFLP及定量PCR等分子生物學技術，對土壤固碳微生物群落組成、結構和數量進行了分析，闡釋了稻田土壤微生物固碳的分子生物學機理，明確了功能微生物種群結構（圖3）。結果表明，稻田土壤固碳細菌的優勢種群可能是紅假單胞菌、慢生根瘤與勞爾氏菌菌等，而藻類則以黃澡和硅藻為主，明確了稻田土壤參與CO₂光合同化的功能基因（cbbL）及其豐度（0.04~1.3×108 copies g^-1），研究結果發表在Applied and Environmental Microbiology（Yuan & Ge et al., 2012, 78: 2328–2336）。同時，依託稻田長期定位試驗，研究發現，在田間條件下，稻田土壤也存在相當數量的細菌cbbL基因拷貝數及較高的RubisCO酶活性。根據酶活性估算，年碳同化量在100-450kg/ha之間，這與室內¹⁴C-CO₂連續標記培養實驗得出的碳同化量相當，這為我們估算田間條件下，土壤自養微生物的CO₂同化速率提供了可能性，研究結果發表在Applied Microbiology and Biotechnology（Yuan & Ge et al., 2012, 95: 1061–1071）和Biology and Fertility of Soils（Yuan & Ge et al., 2013, 49: 609–616），同時建立了「超聲破碎分離提取」土壤固碳關鍵酶RubisCO活性的提取方法，創建了基於土壤RubisCO活性測定的自然土壤微生物碳同化速率的估算方法（碳同化速率=0.16×RubisCO活性–0.001）。研究結果發表在Pedobiologia（Wu & Ge et al., 2014, 57: 277–284）。因此，該研究揭示了一個以往被忽視的土壤有機碳的重要輸入途徑，同時改變了土壤微生物在稻田生態系統中僅擔負有機質分解、礦化功能的長期認識，亦豐富了微生物的基本功能和在碳循環過程中的作用。

 

圖1 稻田土壤有機碳來源

 

圖2 水稻光合碳的輸入與在土壤中轉化示意圖

 

圖3 土壤微生物固碳功能（同化大氣CO₂）及其生物學機制技術框架圖