氣候變化背景下，全球大氣CO₂濃度升高會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通過調(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，細菌群落如何響應CO₂濃度升高并介導光合碳的地下分配的機制仍不清楚。

“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)土壤有機質(zhì)衰減阻控團隊利用碳穩(wěn)定同位素技術，通過對春小麥進行連續(xù)¹³CO₂標記，示蹤¹³C在小麥-土壤系統(tǒng)的分配和轉(zhuǎn)運，并結(jié)合16S rRNA基因擴增子測序技術研究在農(nóng)田系統(tǒng)不同CO₂濃度、不同施氮水平下，細菌群落在CO₂濃度升高條件下的響應策略及介導光合碳向地下分配的機制，為旱地農(nóng)田土壤有機碳的提升和綜合管理奠定基礎。

研究結(jié)果表明，與常規(guī)CO₂相比，在低量施氮時，綠彎菌門和硝化螺旋桿菌門的相對豐度在高CO₂下顯著增加，而在高量施氮時擬桿菌門的相對豐度在高CO₂下顯著增加。在CO₂濃度升高條件下，隨著可利用氮的增加，細菌群落的響應由寡營養(yǎng)類型轉(zhuǎn)變?yōu)楦粻I養(yǎng)類型，這與根的生物量和可分解性密切相關。細菌網(wǎng)絡中的關鍵物種可能會影響這些細菌門對碳氮可利用性的響應。

具體來看，施氮不足時，CO₂濃度升高導致氮限制增強，同時植物根可分解性降低，糖化細菌門、綠彎菌門和硝化螺旋桿菌門作為關鍵物種首先響應。這些寡營養(yǎng)細菌通過分解難分解底物為其他細菌提供碳源和能量，然后驅(qū)動群落中其他參與氮轉(zhuǎn)化相關過程的微生物響應增強，共同緩解氮限制，因此光合碳的轉(zhuǎn)運效率提高。而氮充足時，CO₂濃度升高下富營養(yǎng)菌作為關鍵物種并刺激群落中的其他富營養(yǎng)細菌響應增強。這些富營養(yǎng)菌偏好利用植物來源相對易分解的光合碳，因此光合碳的轉(zhuǎn)運效率降低。CO₂濃度升高對細菌介導的土壤光合碳截獲及其效率的影響與氮可利用性有關。因此，CO₂濃度升高條件下，通過氮肥管理能夠調(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。

本研究突出強調(diào)了微生物的響應策略及其特定的功能與土壤碳過程的偶聯(lián)，揭示了CO₂濃度升高條件下細菌群落在調(diào)控碳氮化學計量方面的功能特征和機制。

圖1?不同施氮水平下細菌群落介導光合碳轉(zhuǎn)運效率和截獲機制

相關研究發(fā)表在國際土壤學權威期刊Soil Biology and Biochemistry上。中科院沈陽應用生態(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。該研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA28080201）等資助。

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