由中科院亚热带农业生态研究所吴金水研究员领衔的农业生态过程方向研究团队近日在水稻光合碳和微生物同化碳的转化与微生物利用特征获新进展。
土壤中植物残体、凋落物、根际沉积以及微生物同化碳等形式输入的外源碳，是土壤有机碳的重要来源，其在土壤中的周转过程是构成土壤碳循环的重要组成部分。尽管已有研究探讨了植物来源的有机碳在土壤中的周转过程，但是，目前还缺乏对于不同来源的光合碳和微生物同化碳输入土壤后，在微生物作用下的转化与分配规律，及其土壤微生物对不同碳源利用与响应特征的研究。
基于此，该团队在前期研究的基础上，采用碳同位素标记技术和磷脂脂肪酸的稳定同位素探针技术（13C-PLFA-SIP），模拟不同来源的“新碳”（13C-标记的水稻秸秆、根系、根际沉积碳以及微生物同化碳）在水稻土中的转化、分配以及微生物利用与响应特性。结果表明，在模拟培养过程中，水稻秸秆和根系碳在微生物作用下快速分解转化为可溶性有机碳（DOC），增加其在微生物量碳（MBC）和土壤有机碳（SOC）库中的分配，随着易利用态碳的消耗，在SOC中的分配率也逐渐降低；而根际沉积碳和微生物同化碳在DOC、MBC和SOC中的分配变化相对较小；300天培养实验结束后，大约10%的秸秆碳，16.5%的根系碳，45.2%和33.8%的根际沉积碳和微生物同化碳最终稳定于SOC。水稻秸秆碳和根系碳输入土壤后显著增加了13C-PLFA的总量；在这两种碳源转化过程中，参与其转化的土壤微生物种群结构发生了明显的变化，而参与根际沉积碳和微生物同化碳转化的微生物种群结构变化不明显，表明土壤外源碳的种类、输入形式及其可利用性驱动着土壤微生物种群结构的变化；同时也表明，秸秆还田作为广泛采用的稻田增肥方式，由于其一次性投入刺激了土壤微生物的矿化分解过程，所以对提高土壤有机质积累的效率并不高；然而，尽管根际沉积碳和微生物同化碳输入土壤中的总量不大，但由于是连续性输入土壤，并能与土壤矿物进行有机结合，土壤土著微生物对其具有一定的适应性，降低了分解释放比例，增加了在土壤有机质中的固持；这进一步说明了土壤外源碳的投入方式、物质结构以及碳源在土壤中的稳定性决定了其对土壤有机质积累的贡献率。该研究为深入解析水稻土碳循环以及土壤微生物固碳潜力提供了重要的理论基础。
该研究成果近期以题为Fate of rice shoot and root residues, rhizodeposits, and microbial assimilated carbon in paddy soil - part 2: turnover and microbial utilization发表在Plant and Soil上。该研究得到了中国科学院亚热带农业生态研究所公共技术服务中心的大力支持，该研究得到了国家自然科学基金委、中科院先导专项、高端外国专家项目等的资助。
图1 水稻秸秆、根系、根际沉积碳和微生物同化碳在不同碳库中的分配，及其参与转化过程的土壤微生物变化特征