土壤也是個“吃貨”

作者：由中科院之聲發表于農業時間：2018-09-13

固碳，也叫碳封存，指的是增加除大氣之外的碳庫的碳儲量的措施。在全球變化的背景下，土壤有機碳庫微小的儲量變化都會對大氣二氧化碳濃度和氣候變化產生巨大影響。那就是，如果可以將更多的植物光合作用產物截存在土壤中，將會減緩大氣二氧化碳濃度上升的速度。但是，如果土壤有機質加速降解，就會進一步提升大氣二氧化碳的濃度，進而加劇全球氣候變暖的趨勢。

那麼，如何預測和調控土壤有機碳庫儲量的變化呢？我們首先需要明確土壤有機碳固存的機理，瞭解誰才是土壤固碳的主力軍。

圖1 植物和微生物對土壤有機碳的貢獻

植物、微生物殘體碳？誰才是土壤固碳的主力軍？

土壤有機質是十分複雜的混合物，像枯枝落葉、死去的細菌真菌這樣的植物和微生物的殘體是土壤有機質的主要來源。土壤有機質是陸地生態系統最大的活性碳庫，每年全球土壤呼吸所釋放的二氧化碳相當於化石燃料燃燒排放量的十倍以上。

近些年，土壤碳的研究領域中一個頗具爭議的熱點問題是：對於土壤有機碳的積累，植物和微生物到底哪個更加重要？

傳統的觀念認為，植物殘體進入土壤後，微生物會優先消耗那些“好吃”的有機碳（例如糖類、氨基酸等），而那些“不易消化”的植物殘體（比如木質素含量高的組織）更容易被微生物嫌棄而長時間遺留在土壤中，進而形成穩定的土壤碳庫。

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但是，隨著研究的深入，越來越多的科學家開始挑戰這個傳統觀念。

最新的觀點認為，儘管植物的光合作用產物是土壤的初級碳源，但微生物殘體，才是土壤穩定碳庫的核心組分。異養微生物透過分解和消耗植物殘體碳獲取生長所需的能量和碳源，在不斷的生長和繁衍中世代更替，其殘體及各種代謝副產物在土壤中不斷累積。這些微生物的殘體比植物殘體具有更高的穩定性，因此在土壤穩定碳庫的積累中發揮了更重要的作用。

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在海洋中，微生物將溶解在海水中的易分解有機碳轉化成“不好消化”的惰性碳，這一微生物驅動的轉化過程被看作是海洋溶解性有機碳庫穩定存在的關鍵，這也稱為“微生物碳泵”。在土壤中，中科院瀋陽生態所的梁超研究員和合作者也以“土壤微生物碳泵”為核心，指出了微生物轉化在土壤有機碳積累過程中的關鍵作用。

不過，目前土壤微生物殘體碳積累的研究都主要集中在室內或單點的控制實驗中。由於土壤有機碳的成分複雜，傳統的土壤分析方法無法區分天然土壤中植物與微生物來源的碳組分。

因此，需要科學家去證明在大尺度的天然土壤中微生物殘體碳對土壤有機碳積累的重要性。

圖2 有關土壤有機碳的傳統觀念（a）與新觀念（b）

區域尺度上證明：微生物殘體碳是草地土壤固碳的核心力量

近期，中國科學院植物研究所馮曉娟研究組和白永飛研究組合作，在該領域取得了新的進展。

科研人員在一條跨越中國內蒙和蒙古國的天然溫帶草地樣帶上，利用生物標誌物的方法區分了土壤中植物木質素與微生物殘體來源的有機碳（分別為木質素酚和氨基糖），並對比研究了木質素和微生物殘體碳在土壤中的分佈格局與積累機制。

研究發現，在溫帶草地的表層土壤中，氨基糖和木質素酚類與水分條件表現出截然不同的關係，即隨著溼潤度的增加，木質素的降解增強、積累減少，而氨基糖的積累增強。也就是說，隨著土壤水分條件的改善，微生物活動增強，木質素和微生物殘體碳在土壤中的積累出現此消彼長的趨勢。研究人員進一步整合全球草地資料發現，木質素和土壤有機碳含量呈負相關，氨基糖則呈正相關。

以上結果首次在區域尺度上證明了微生物殘體碳是草地土壤固碳的核心力量。

圖3 取樣點圖（a）及全球草地土壤中氨基糖和木質素的含量與土壤有機碳的關係（b）

那麼，微生物殘體碳在土壤中的積累主要受到哪些環境因子的影響呢？

該研究發現，在質地較細的土壤中，粘土礦物對微生物殘體碳的保護起到主導作用；而在質地較粗的土壤中（中蒙樣帶上），水分（乾旱度）控制了木質素的降解以及微生物殘體碳的積累。以上結果預示，未來降水改變或土壤水分的變化對不同質地土壤中的“微生物碳泵”效率具有不同的影響：水分條件的最佳化可以促進粗質土壤中微生物碳的積累，而對細質土壤的微生物碳積累的影響較小。

該研究為解釋土壤有機碳的積累機制和預測未來土壤碳庫動態提供了新的依據。