微生物残体在土壤有机碳形成和积累中的重要作用已经逐渐成为共识。微生物残体的产量在很大程度上取决于微生物代谢属性的权衡。因此，微生物代谢属性信息对于探索微生物C代谢过程与土壤C固存之间的内在联系至关重要。具有丰富高质量植物输入的土壤微生物热点-根际通过诱导更快的微生物合成代谢过程，在微生物残体的形成和迭代积累方面具有显著优势，为从细微尺度上深入辨识微生物过程在土壤有机碳形成和累积中的关键调控作用提供了独特的研究视角。但由于根系功能的分化，根际并不是一个均质体，不同的根系功能模块（即吸收根和运输根）根系生理代谢活性之间存在明显差异，可以通过差异化影响周围土壤微生物代谢活动，从而在微生物坏残体形成和土壤碳固存中发挥不同的作用。然而，目前关于不同根系功能模块如何通过差异化调控根际微生物C代谢过程而影响根际土壤有机碳形成和积累的专一性研究近乎一片空白，极大地限制了在细微尺度上对森林土壤C形成和固存机制的深入认识与理解。
基于此，成都生物研究所尹华军研究团队以西南亚高山典型的人工林云杉（Piceaasperata）为试验对象，在两个不同林龄（45和55年）的样地中通过分离吸收根（1-3级细根）和运输根（4-5级细根）两个根系功能模块，量化并比较了吸收根和运输根根际微生物残体C对土壤有机碳（SOC）的贡献差异，并通过测定土壤微生物生长属性（即微生物CUE（土壤碳利用效率）、生长速率、周转速率）和投资属性（即微生物呼吸商和胞外酶活性），阐释这两组微生物代谢属性的权衡是否以及如何控制两个根系功能模块之间微生物残体C对SOC的贡献差异。研究结果表明：I）吸收根根际微生物残体C对SOC的贡献（32.9 ~ 37.5%）显著高于运输根根际（27.7 ~ 30.5%），表明吸收根比运输根具有更大的促进根际微生物残体C积累的能力；II）与运输根相比，吸收根根际具有更高的微生物CUE、更快的生长和周转速率、更低的呼吸商和酶投资，这表明吸收根支持了更高的微生物生长产量并产生更多的残体。上述结果表明，根际微生物对土壤有机碳的贡献在很大程度上取决于根系功能分化介导的微生物代谢属性的权衡，本研究从根系功能分化的角度为微生物C代谢过程在调节根际土壤C固存中的关键作用提供了新颖的和直接的经验证据。
图1吸收根和运输根根际微生物残体碳(MNC)、真菌残体碳(FNC)和细菌残体碳(BNC)对土壤有机碳(SOC)的贡献(a-c)及其根际效应(RE) (d-f)。
图2根际土壤特性、微生物残体C对SOC的贡献、微生物生长属性和投资属性之间的Pearson相关系数矩阵(a); 结构方程模型描述了根际土壤特性如何通过影响微生物代谢属性的权衡而改变根际微生物残体C对SOC的贡献(b)。
图3吸收根和运输根如何通过改变微生物代谢属性的权衡来影响微生物残体的积累和对有机碳的贡献概念框架图。
上述研究结果于2024年7月11日以“Microbial metabolic traits drive the differential contribution of microbial necromass to soil organic carbon between the rhizosphere of absorptive roots and transport roots”为题，在线发表于国际土壤学权威top期刊Soil Biology and Biochemistry上。成都生物研究所特别研究助理汪其同为论文第一作者，尹华军研究员为论文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金项目、中国科学院“西部之光”交叉团队项目、西藏自治区科技计划项目和四川省自然科学基金的联合资助。