東北地理所在礦物和微生物碳泵聯合調控空間尺度黑土農田土壤有機碳積累的研究中取得進展
在中國東北黑土帶上，氣候條件、土壤性質和土地管理方式等多因素共同作用造成土壤有機碳含量顯著的空間分布差異。在農田生態系統中，土壤有機碳積累還受種植制度等農田管理方式的影響。然而，農田土壤有機碳含量及其不同碳庫和來源的空間分布規律及其變異驅動機制依然不清。針對以上問題，中國科學院東北地理與農業生態研究所李祿軍研究員團隊以東北典型黑土（Mollisols）農田為研究對象，采集典型黑土帶不同種植制度的農田土壤樣品，旨在揭示黑土農田土壤有機碳積累及其穩定性空間變異的關鍵驅動機制。
研究發現，不同種植制度下土壤微生物殘體和礦物結合態有機碳（MAOC）隨著年均溫度的增加而下降，且共同作為土壤有機碳的主要貢獻者（圖1和2）。值得注意的是，土壤微生物殘體和MAOC積累表現出不同的環境調控機制（圖3）。其中，微生物殘體積累主要受微生物性質（61%）和土壤有機質化學難降解性（31%）調控，而MAOC形成則受微生物殘體（50%）和礦物保護作用（41%）聯合控制。進一步通過分析土壤微生物殘體碳在不同碳庫（顆粒態有機碳，POC；MAOC）中的占比，發現較大比例的微生物殘體碳固存在MAOC中，同時微生物殘體碳也是POC積累的重要來源。此外，研究結果還表明，微生物殘體碳（27-37%）在MAOC中的比例大于植物源碳（<22%），證實了東北典型黑土帶上不同種植制度下土壤MAOC積累的兩步途徑，即通過“微生物體內周轉途徑”為其提供重要前體—微生物殘體，隨后利用非晶質鐵鋁氧化物（Fe+Al）和交換性Mg2+的礦物穩定機制將微生物殘體固存在土壤中。
路徑分析結果顯示，農田土壤有機碳受礦物和微生物碳泵的協同作用調控，并由礦物穩定最終決定土壤有機碳積累（圖4）。其中，土壤微生物碳泵控制微生物源碳的供給，礦物碳泵則決定微生物殘體碳通過有機-礦物結合作用實現穩定的效率和持久性。因此，土壤有機碳積累的主要途徑由土壤MAOC增加主導，該過程受土壤微生物殘體和礦物保護作用共同調控。該研究加強了對農田土壤有機碳穩定機制的深入理解。在未來持續變暖的氣候條件下，改善土壤微生物代謝效率、促進土壤微生物殘體積累、增強礦物穩定能力的農業管理措施能有效促進土壤有機碳固定。
相關論文以“Coupled mineral and microbial carbon pumps govern soil organic carbon accumulation in croplands at a large spatial scale”為題，在線發表于國際學術期刊Soil Biology and Biochemistry。論文第一作者為中國科學院東北地理與農業生態研究所特別研究助理戴閃閃，通訊作者為李祿軍研究員，合作者還包括東北地理所何朋、張雪仙、朱冰雪特別研究助理，張志明項目高級工程師，在讀博士生王丹丹，以及東北地理所劉俊杰、宋開山研究員。該研究獲得了國家自然科學基金區域創新發展聯合基金集成項目、面上項目、青年科學基金項目等的聯合資助。
論文信息：Dai S.S., He P., Zhang Z.M., Wang D.D., Zhang X.X., Zhu B.X., Song K.S., Liu J.J., Zhu-Barker X., Li L.J., 2026. Coupled mineral and microbial carbon pumps govern soil organic carbon accumulation in croplands at a large spatial scale, Soil Biology and Biochemistry, 110236.
圖1 黑土帶上土壤有機碳的空間分布特征及不同碳庫（顆粒態有機碳，POC；礦物結合態有機碳，MAOC）和碳源（木質素酚，lignin phenols；氨基糖，amino sugars）與氣候因素之間的關系
圖2 黑土帶上土壤有機碳與不同碳庫（顆粒態有機碳，POC；礦物結合態有機碳，MAOC）和碳源（木質素酚，lignin phenols；氨基糖，amino sugars）之間的關系
圖3 影響土壤微生物殘體（a, c-g）和礦物結合態碳（b, h-k）積累的關鍵因素
圖4 影響土壤有機碳積累的關鍵生物和非生物途徑
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