土壤是最大的陸地有機碳儲存庫，維持其長期固碳功能對減緩氣候變化和生態系統恢復力和生產力至關重要。微生物將植物源輸入轉化為持久性土壤有機碳是追蹤土壤碳足跡的一個十分關鍵但又鮮為人知的過程。微生物產物，主要是微生物殘體，在不同生態系統中約占SOC庫的30-80%，從而在土壤碳固存中發揮關鍵作用。根據當代有機碳理論，具有豐富高質量植物輸入的土壤微生物熱點通過刺激更快的微生物“體內”周轉，將導致微生物殘體形成和迭代積累的壓倒性優勢。相應地，根際作為一個由植物根系高質量碳輸入形成的獨特的土壤微生物熱點，很可能導致高效的微生物生長和殘體積累以及對土壤有機碳的高貢獻。然而，到目前為止，根際這種壓倒性的潛力尚未得到大規模的驗證，因為大多數先前的土壤碳動態研究通常將根際和非根際土壤視為一個有機整體，而忽略了根際微生物碳代謝過程在土壤有機碳形成和穩定中的關鍵作用。而且對影響根際微生物殘體積累的環境因素知之甚少。填補這些知識空白不僅有助于預測根-土壤系統中的土壤碳動態，而且可為制定在變化環境下加強土壤碳封存的實踐提供理論指導。
基于此，成都生物研究所尹華軍研究團隊通過系統收集青藏高原典型高寒針葉林39個樣點的根際和非根際土壤樣品（圖1），量化了根際和非根際土壤中有機碳和氨基糖的濃度，并通過計算根際相對于非根際土壤中增加的氨基糖與增加的有機碳的比例（RAS/SOC）進一步評估了微生物殘體對根際有機碳積累的貢獻程度。并通過收集氣候數據和測定根際土壤養分濃度和微生物生理性狀，揭示了變化環境下微生物生活史策略的轉變是否以及如何影響根際微生物殘殘體對SOC貢獻的變化。研究結果表明：Ⅰ）在所有采樣點中，根際土壤中SOC標準化氨基糖的平均濃度顯著高于非根際土壤，且平均RAS/SOC大于1，表明根際微生物殘體對有機碳庫的貢獻能力比非根際土壤更大（圖2）；Ⅱ）土壤養分有效性是影響RAS/SOC的主要因素，降水通過改變土壤養分狀況間接影響微生物合成代謝和RAS/SOC（圖3）。隨著根際土壤養分有效性的增加，微生物碳利用效率和生長速率增加，但單位生物量胞外酶活性下降，表明隨著土壤養分有效性的增加，微生物傾向于采取高產策略（圖4）。上述研究結果在區域尺度上支持了根際具有較高的微生物殘體積累能力，強調了微生物代謝途徑在響應土壤養分條件變化時影響根際有機碳形成和土壤碳源/匯功能的重要性。
上述研究結果近期以“Rhizosphere as a hotspot for microbial necromass deposition into the soil carbon pool”為題發表在生態學領域國際著名期刊Journal of Ecology (2024)上。該論文第一作者為成都生物研究所特別研究助理汪其同（現為山東農業大學副教授），通訊作者為尹華軍研究員和西北工業大學張子良教授。論文的合作者還包括沈陽應用生態研究所梁超研究員、西澳大學Hans Lambers教授、北京大學朱彪研究員等。本研究得到了國家自然科學基金區域聯合重點項目、國家自然科學基金青年基金項目、中科院“西部之光”交叉團隊項目、四川省科技計劃項目和西藏自治區科技計劃等項目的聯合資助。
本研究成果是團隊近年來關注高寒森林根際土壤碳匯功能與調控機制以來（Journal of Ecology 2022；Soil Biology and Biochemistry, 2024, 2021），在該領域取得的又一重要研究進展。上述系列研究成果根際視角揭示了高寒森林根系活動介導的土壤微生物殘體碳積累能力的變化規律和調控機制，豐富和拓展了森林根際土壤碳動態過程及其理論體系的科學認知，為構建和完善陸地生態系統碳循環模型提供重要科學依據。
圖1 39個高寒針葉林采樣點分布圖
圖2 根際和非根際土壤間氨基糖和有機碳的相對變化，根際相對于非根際增加的氨基糖與增加的SOC的比值（RAS/SOC）（a）；RAS/SOC的頻率分布圖（b）
圖3氣候因子、根際土壤養分有效性、微生物生理特性與RAS/SOC的關系。
圖4 土壤養分有效性如何通過影響微生物生活史策略而調控根際土壤微生物殘體積累能力的概念框架圖