東北地理所在微生物介導(dǎo)土壤有機(jī)碳建模研究方面取得進(jìn)展
土壤有機(jī)碳（SOC）是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的活性碳庫之一，在維持土壤肥力、保障糧食安全和調(diào)節(jié)全球氣候變化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。近年來，越來越多研究表明，微生物殘?bào)w碳（Microbial Necromass Carbon, MNC）是土壤有機(jī)碳的重要來源。然而，現(xiàn)有土壤碳循環(huán)模型大多僅關(guān)注微生物生長(zhǎng)與分解過程，對(duì)于微生物死亡路徑（Microbial Death Pathways, MDPs）的描述較為簡(jiǎn)化，限制了模型對(duì)復(fù)雜農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)過程的模擬能力。針對(duì)這一問題，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組聯(lián)合武漢大學(xué)、加拿大農(nóng)業(yè)部和開羅大學(xué)等國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)學(xué)者，構(gòu)建了三種不同復(fù)雜度的微生物殘?bào)w碳模型，包括多路徑微生物殘?bào)w模型（MPN）、雙殘?bào)w模型（DUN）和單殘?bào)w模型（SIN）。其中，MPN模型首次將微生物死亡路徑劃分為衰老/程序性死亡、病毒裂解、捕食作用以及環(huán)境與人為脅迫等四類機(jī)制，并基于我國(guó)六大農(nóng)業(yè)區(qū)108個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展區(qū)域尺度模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證。
研究結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)模型，MPN模型在我國(guó)多數(shù)農(nóng)業(yè)區(qū)均表現(xiàn)出更高的模擬精度和更穩(wěn)定的區(qū)域適應(yīng)性，能夠更準(zhǔn)確地反映不同農(nóng)田管理措施及環(huán)境條件下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，不同微生物死亡路徑形成的殘?bào)w碳在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中具有顯著差異：低溫和干旱條件下，微生物衰老死亡貢獻(xiàn)增加；而水稻土中病毒裂解及微生物代謝過程對(duì)碳循環(huán)影響更加顯著，輪作和高碳投入則有助于降低環(huán)境脅迫導(dǎo)致的微生物死亡比例。微生物死亡機(jī)制不僅影響土壤有機(jī)碳積累過程，還決定了模型對(duì)溫度、pH和碳氮比等環(huán)境因子的響應(yīng)特征。此外，在東北等高緯度低溫區(qū)域，由于微生物休眠現(xiàn)象較明顯，過于復(fù)雜的死亡路徑結(jié)構(gòu)可能增加模型參數(shù)敏感性，從而削弱模擬優(yōu)勢(shì)。該研究從區(qū)域尺度系統(tǒng)驗(yàn)證了引入微生物死亡路徑對(duì)提升土壤碳模擬能力的重要作用，為深入理解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機(jī)制、評(píng)估土壤固碳潛力以及構(gòu)建更高精度的微生物地球化學(xué)模型提供了重要參考。
相關(guān)成果以“Mechanistic Microbial Death Pathways Improve Regional Soil Carbon Simulations across Diverse Cropland Ecosystems”為題發(fā)表于環(huán)境領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Environmental Science & Technology》（IF = 11.3）。論文第一作者為東北地理所黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組博士研究生王文俊，通訊作者為梁愛珍研究員。博士研究生李鈺婉、武漢大學(xué)王綱勝教授、加拿大農(nóng)業(yè)部Neil McLaughlin研究員、開羅大學(xué)Mohamed S. Abbas教授、陳學(xué)文副研究員及張延副研究員等參與了該研究。研究得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)（A類“黑土糧倉”）（XDA28080200）等項(xiàng)目資助。
論文鏈接如下：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c16652
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