固碳，也叫碳封存，指的是增加除大氣之外的碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量的措施。在全球變化的背景下，土壤有機(jī)碳庫(kù)微小的儲(chǔ)量變化都會(huì)對(duì)大氣二氧化碳濃度和氣候變化產(chǎn)生巨大影響。那就是，如果可以將更多的植物光合作用產(chǎn)物截存在土壤中，將會(huì)減緩大氣二氧化碳濃度上升的速度。但是，如果土壤有機(jī)質(zhì)加速降解，就會(huì)進(jìn)一步提升大氣二氧化碳的濃度，進(jìn)而加劇全球氣候變暖的趨勢(shì)。
那么，如何預(yù)測(cè)和調(diào)控土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量的變化呢？我們首先需要明確土壤有機(jī)碳固存的機(jī)理，了解誰(shuí)才是土壤固碳的主力軍。
圖1 植物和微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)
植物、微生物殘?bào)w碳？誰(shuí)才是土壤固碳的主力軍？
土壤有機(jī)質(zhì)是十分復(fù)雜的混合物，像枯枝落葉、死去的細(xì)菌真菌這樣的植物和微生物的殘?bào)w是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源。土壤有機(jī)質(zhì)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的活性碳庫(kù)，每年全球土壤呼吸所釋放的二氧化碳相當(dāng)于化石燃料燃燒排放量的十倍以上。
近些年，土壤碳的研究領(lǐng)域中一個(gè)頗具爭(zhēng)議的熱點(diǎn)問(wèn)題是：對(duì)于土壤有機(jī)碳的積累，植物和微生物到底哪個(gè)更加重要？
傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，植物殘?bào)w進(jìn)入土壤后，微生物會(huì)優(yōu)先消耗那些“好吃”的有機(jī)碳（例如糖類、氨基酸等），而那些“不易消化”的植物殘?bào)w（比如木質(zhì)素含量高的組織）更容易被微生物嫌棄而長(zhǎng)時(shí)間遺留在土壤中，進(jìn)而形成穩(wěn)定的土壤碳庫(kù)。
圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
但是，隨著研究的深入，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始挑戰(zhàn)這個(gè)傳統(tǒng)觀念。
最新的觀點(diǎn)認(rèn)為，盡管植物的光合作用產(chǎn)物是土壤的初級(jí)碳源，但微生物殘?bào)w，才是土壤穩(wěn)定碳庫(kù)的核心組分。異養(yǎng)微生物通過(guò)分解和消耗植物殘?bào)w碳獲取生長(zhǎng)所需的能量和碳源，在不斷的生長(zhǎng)和繁衍中世代更替，其殘?bào)w及各種代謝副產(chǎn)物在土壤中不斷累積。這些微生物的殘?bào)w比植物殘?bào)w具有更高的穩(wěn)定性，因此在土壤穩(wěn)定碳庫(kù)的積累中發(fā)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(jī)碳轉(zhuǎn)化成“不好消化”的惰性碳，這一微生物驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程被看作是海洋溶解性有機(jī)碳庫(kù)穩(wěn)定存在的關(guān)鍵，這也稱為“微生物碳泵”。在土壤中，中科院沈陽(yáng)生態(tài)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(zhuǎn)化在土壤有機(jī)碳積累過(guò)程中的關(guān)鍵作用。
不過(guò)，目前土壤微生物殘?bào)w碳積累的研究都主要集中在室內(nèi)或單點(diǎn)的控制實(shí)驗(yàn)中。由于土壤有機(jī)碳的成分復(fù)雜，傳統(tǒng)的土壤分析方法無(wú)法區(qū)分天然土壤中植物與微生物來(lái)源的碳組分。
因此，需要科學(xué)家去證明在大尺度的天然土壤中微生物殘?bào)w碳對(duì)土壤有機(jī)碳積累的重要性。
圖2 有關(guān)土壤有機(jī)碳的傳統(tǒng)觀念(a)與新觀念(b)
區(qū)域尺度上證明：微生物殘?bào)w碳是草地土壤固碳的核心力量
近期，中國(guó)科學(xué)院植物研究所馮曉娟研究組和白永飛研究組合作，在該領(lǐng)域取得了新的進(jìn)展。
科研人員在一條跨越中國(guó)內(nèi)蒙和蒙古國(guó)的天然溫帶草地樣帶上，利用生物標(biāo)志物的方法區(qū)分了土壤中植物木質(zhì)素與微生物殘?bào)w來(lái)源的有機(jī)碳（分別為木質(zhì)素酚和氨基糖），并對(duì)比研究了木質(zhì)素和微生物殘?bào)w碳在土壤中的分布格局與積累機(jī)制。
研究發(fā)現(xiàn)，在溫帶草地的表層土壤中，氨基糖和木質(zhì)素酚類與水分條件表現(xiàn)出截然不同的關(guān)系，即隨著濕潤(rùn)度的增加，木質(zhì)素的降解增強(qiáng)、積累減少，而氨基糖的積累增強(qiáng)。也就是說(shuō)，隨著土壤水分條件的改善，微生物活動(dòng)增強(qiáng)，木質(zhì)素和微生物殘?bào)w碳在土壤中的積累出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。研究人員進(jìn)一步整合全球草地?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素和土壤有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)，氨基糖則呈正相關(guān)。
以上結(jié)果首次在區(qū)域尺度上證明了微生物殘?bào)w碳是草地土壤固碳的核心力量。
圖3 采樣點(diǎn)圖(a)及全球草地土壤中氨基糖和木質(zhì)素的含量與土壤有機(jī)碳的關(guān)系(b)
那么，微生物殘?bào)w碳在土壤中的積累主要受到哪些環(huán)境因子的影響呢？
該研究發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)地較細(xì)的土壤中，粘土礦物對(duì)微生物殘?bào)w碳的保護(hù)起到主導(dǎo)作用；而在質(zhì)地較粗的土壤中（中蒙樣帶上），水分（干旱度）控制了木質(zhì)素的降解以及微生物殘?bào)w碳的積累。以上結(jié)果預(yù)示，未來(lái)降水改變或土壤水分的變化對(duì)不同質(zhì)地土壤中的“微生物碳泵”效率具有不同的影響：水分條件的優(yōu)化可以促進(jìn)粗質(zhì)土壤中微生物碳的積累，而對(duì)細(xì)質(zhì)土壤的微生物碳積累的影響較小。
該研究為解釋土壤有機(jī)碳的積累機(jī)制和預(yù)測(cè)未來(lái)土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)提供了新的依據(jù)。
圖4：影響中蒙樣帶草地土壤中氨基糖和木質(zhì)素分布的主要環(huán)境因子(a)和不同質(zhì)地土壤中影響氨基糖含量的主導(dǎo)因素(b)
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院植物研究所
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