氣候變化背景下，全球大氣CO₂濃度升高會(huì)影響光合碳由植物向土壤中的分配和轉(zhuǎn)移，微生物在這一過(guò)程中發(fā)揮重要作用。不同的農(nóng)業(yè)氮肥施用管理措施會(huì)通過(guò)調(diào)控微生物的底物利用策略最終影響作物光合碳在土壤中的截獲。然而，在不同施氮水平下，細(xì)菌群落如何響應(yīng)CO₂濃度升高并介導(dǎo)光合碳的地下分配的機(jī)制仍不清楚。

“黑土糧倉(cāng)”科技會(huì)戰(zhàn)土壤有機(jī)質(zhì)衰減阻控團(tuán)隊(duì)利用碳穩(wěn)定同位素技術(shù)，通過(guò)對(duì)春小麥進(jìn)行連續(xù)¹³CO₂標(biāo)記，示蹤¹³C在小麥-土壤系統(tǒng)的分配和轉(zhuǎn)運(yùn)，并結(jié)合16S rRNA基因擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)研究在農(nóng)田系統(tǒng)不同CO₂濃度、不同施氮水平下，細(xì)菌群落在CO₂濃度升高條件下的響應(yīng)策略及介導(dǎo)光合碳向地下分配的機(jī)制，為旱地農(nóng)田土壤有機(jī)碳的提升和綜合管理奠定基礎(chǔ)。

研究結(jié)果表明，與常規(guī)CO₂相比，在低量施氮時(shí)，綠彎菌門(mén)和硝化螺旋桿菌門(mén)的相對(duì)豐度在高CO₂下顯著增加，而在高量施氮時(shí)擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度在高CO₂下顯著增加。在CO₂濃度升高條件下，隨著可利用氮的增加，細(xì)菌群落的響應(yīng)由寡營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)楦粻I(yíng)養(yǎng)類(lèi)型，這與根的生物量和可分解性密切相關(guān)。細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵物種可能會(huì)影響這些細(xì)菌門(mén)對(duì)碳氮可利用性的響應(yīng)。

具體來(lái)看，施氮不足時(shí)，CO₂濃度升高導(dǎo)致氮限制增強(qiáng)，同時(shí)植物根可分解性降低，糖化細(xì)菌門(mén)、綠彎菌門(mén)和硝化螺旋桿菌門(mén)作為關(guān)鍵物種首先響應(yīng)。這些寡營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌通過(guò)分解難分解底物為其他細(xì)菌提供碳源和能量，然后驅(qū)動(dòng)群落中其他參與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)過(guò)程的微生物響應(yīng)增強(qiáng)，共同緩解氮限制，因此光合碳的轉(zhuǎn)運(yùn)效率提高。而氮充足時(shí)，CO₂濃度升高下富營(yíng)養(yǎng)菌作為關(guān)鍵物種并刺激群落中的其他富營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌響應(yīng)增強(qiáng)。這些富營(yíng)養(yǎng)菌偏好利用植物來(lái)源相對(duì)易分解的光合碳，因此光合碳的轉(zhuǎn)運(yùn)效率降低。CO₂濃度升高對(duì)細(xì)菌介導(dǎo)的土壤光合碳截獲及其效率的影響與氮可利用性有關(guān)。因此，CO₂濃度升高條件下，通過(guò)氮肥管理能夠調(diào)控微生物的底物利用策略并最終影響光合碳在土壤中的截獲。

本研究突出強(qiáng)調(diào)了微生物的響應(yīng)策略及其特定的功能與土壤碳過(guò)程的偶聯(lián)，揭示了CO₂濃度升高條件下細(xì)菌群落在調(diào)控碳氮化學(xué)計(jì)量方面的功能特征和機(jī)制。

圖1?不同施氮水平下細(xì)菌群落介導(dǎo)光合碳轉(zhuǎn)運(yùn)效率和截獲機(jī)制

相關(guān)研究發(fā)表在國(guó)際土壤學(xué)權(quán)威期刊Soil Biology and Biochemistry上。中科院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所的賈衛(wèi)娜、鄭甜甜為共同第一作者，何紅波研究員和梁超研究員為共同通訊作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（XDA28080201）等資助。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071723000834