沈陽生態所在土壤微生物碳泵儲碳機制研究上取得系列進展

  土壤碳的周轉與截獲機制是碳生物地球化學循環過程研究領域中的熱點和難點。土壤碳匯功能的提升是提高糧食安全、改善水質、維持生物多樣性、保育土地健康等問題的關鍵,也是積極響應我國黑土地保護工程與國際碳中和”發展戰略、應對全球氣候危機的必由之路。土壤有機碳(SOC)在陸地生態系統土壤里主要以有機質(SOM)的形式存在。伴隨著科技新手段的應用以及理論的發展,學術界對于SOM形成和穩定的認知已從傳統的腐殖質觀點轉為更加關注土壤微生物的代謝調控,對于土壤微生物直接貢獻SOM形成及其碳庫的重要作用也逐漸達成了共識。 

  2017年,中國科學院沈陽應用生態研究所生態系統微生物學研究團隊在國際上首次提出了土壤微生物碳泵soil Microbial Carbon Pump,簡稱sMCP)概念,該理論聚焦了土壤微生物體內同化過程及其死亡殘留物對土壤碳庫的貢獻,并以sMCP概念為核心,闡明了土壤微生物對土壤碳截獲的調控機理,形成了包含“sMCP概念土壤微生物雙重代謝途徑續埋效應三方面為核心內容的全新土壤碳固存理論體系,為土壤碳的生物地球化學循環研究提供了新的思考模式。相關內容以The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage為題,,發表在了Nature Microbiology雜志的Perspective專欄。后續該研究團隊圍繞sMCP概念體系開展了一系列理論探索(圖1)和實驗研究(表1)。 

                                                         

  1 土壤微生物碳泵概念體系理論研究系列進展示意圖 

  2019年,該研究團隊成員以sMCP概念為理論指導,集成了模型模擬、碳氮化學計量關系和生物標識物比例換算方法,對土壤微生物殘體估算策略進行深層次探討,首次較全面地綜合量化了微生物對SOM庫貢獻的數值范圍,并對估算中存在的相關問題進行了系統性思辨和歸類。其中,通過對溫帶陸地生態系統土壤微生物殘體的量化估算,報道了在溫帶農田、草地和森林的表層土壤中,微生物死亡殘體碳在SOC庫里的占比顯著,微生物死亡殘體對農田和草地的表土SOC貢獻的均值超過了50%相關內容以Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter為題,發表在了Global Change Biology雜志的Opinion專欄。 

  2020年,該團隊研究人員通過對能源作物種植系統下土壤微生物殘體與SOC對土地利用方式異步響應規律的分析,提出了有助于評價sMCP功能的參數(能力與能效)以及野外原位sMCP的評價策略,相關內容以Opinion形式發表在Global Change Biology雜志,題目為The soil microbial carbon pump: from conceptual insights to empirical assessments此外,該團隊的研究人員又以Soil microbial carbon pump: Mechanism and appraisal為題,詳細解讀了sMCP介導的碳截獲過程的機理細節與影響因子,并對評價sMCP的標識物方法及不足給予了探討,相關內容以Review形式發表在Soil Ecology Letters雜志。同年,該團隊成員還為Soil Biology and Biochemistry雜志撰寫了EditorialMicrobial necromass on the rise: the growing focus on its role in soil organic matter development對土壤微生物介導土壤碳庫形成和穩定的研究進展做以歸納和簡述,并對現有的研究挑戰以及未來的研究方向給予了闡述和展望,為新時期的陸地生態系統碳循環研究以及全球氣候變化背景下的生態系統可持續發展的應對策略提供了參考。 

  2021年,該團隊研究人員首次為國內同行詳述了sMCP概念內涵、影響因素與應用前景,不僅將近些年微生物源碳研究進行了梳理和串聯,同時有力夯實了以土壤微生物源碳為核心的sMCP理論體系,為推動sMCP概念體系在我國土壤碳匯功能提升中的應用提供理論指導與借鑒,相關內容以綜述形式發表在中國科學:地球科學雜志,題目為土壤微生物碳泵儲碳機制概論 

  sMCP的概念體系為研究主線,基于其儲碳機制的理論指導下,該團隊的研究人員近幾年結合農田和森林生態系統探究了土壤微生物群落對SOM固存的主動調控機制,通過對土壤微生物群落、死亡殘留物以及SOC等指標的測定及對指標間關系的探索,揭示了農田保護性耕作和森林演替過程里土壤微生物與SOC間的動態關聯,為土壤微生物介導的SOC形成和穩定過程以及sMCP理論體系提供了諸多第一手野外試驗與室內實驗數據支持,相關文章分別發表在Soil Biology and Biochemistry雜志、Global Change Biology Bioenergy雜志以及European Journal of Soil Biology雜志。 

                                                                                            1 基于實驗的代表性研究進展 

   (圖文:中國科學院沈陽應用生態研究所生態系統微生物學組 

  文章列表 

  理論方面研究 

 1.Liang et al. 2017. The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage. Nature Microbiology. 2:17105.  https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2017105  

  2.Liang et al. 2019. Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter. Global Change Biology. 25:3578-3590. https://doi.org/10.1111/gcb.14781  

  3.Zhu et al. 2020. The soil microbial carbon pump: From conceptual insights to empirical assessments. Global Change Biology. 26: 6032-6039. https://doi.org/10.1111/gcb.15319  

  4.Liang, C. 2020. Soil microbial carbon pump: Mechanism and appraisal. Soil Ecology Letters. 2:241-254. https://doi.org/10.1007/s42832-020-0052-4   

  5.Liang et al. 2020. Microbial necromass on the rise: the growing focus on its role in soil organic matter development. Soil Biology and Biochemistry. 150:108006. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108000  

  6.梁超, 朱雪峰. 2021. 土壤微生物碳泵儲碳機制概論. 中國科學:地球科學, 51. https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSTe/doi/10.1360/SSTe-2020-0213?slug=fulltext   

  代表實驗性研究 

  7.Zhu et al. 2018. The impacts of four potential bioenergy crops on soil carbon dynamics as shown by biomarker analyses and DRIFT spectroscopy. GCB Bioenergy. 10:489-500. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcbb.12520  

  8.Shao et al. 2018. Secondary successional forests undergo tightly-coupled changes in soil microbial community structure and soil organic matter. Soil Biology and Biochemistry. 128:56-65. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.10.004  

  9.Shao et al. 2019. Reforestation accelerates soil organic carbon accumulation: Evidence from microbial biomarkers. Soil Biology and Biochemistry. 2019. 131:182-190. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.01.012  

  10.Zhu et al. 2020. Microbial trade-off in soil organic carbon storage in a no-till continuous corn agroecosystem. European Journal of Soil Biology. 96:103146. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2019.103146  

  11.Shao et al. 2021. Tradeoffs among microbial life history strategies influence the fate of microbial residues in subtropical forest soils. Soil Biology and Biochemistry. 153:108112. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108112  

  12.Zheng et al. 2021. Turnover of gram-negative bacterial biomass-derived carbon through the microbial food web of an agricultural soil. Soil Biology and Biochemistry. 152:108070. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108070  

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