大气CO2浓度升高下不同作物根际激发效应对土壤有机碳损失的微生物群落调控机制

本研究针对气候变化背景下大气CO2浓度升高(eCO2)导致农田土壤有机碳(SOC)流失的问题，通过13C标记技术结合微生物组分析，揭示了白羽扇豆、油菜和小麦根际激发效应的物种特异性差异。研究发现eCO2使白羽扇豆根际激发效应提升2-2.3倍，其关键驱动因素为溶解性有机碳(DOC)与矿质氮的比值升高及放线菌门(Actinobacteriota)特定菌属的富集，为农业固碳减排提供了理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，大气CO₂浓度预计本世纪末将达到700 ppm。这一变化可能通过"根际激发效应"——植物根系分泌物刺激微生物加速分解土壤原有有机碳(SOC)，导致农田碳库持续流失。然而，不同作物在eCO₂环境下如何通过调控微生物群落影响SOC分解，仍是农业碳中和研究的关键盲点。澳大利亚拉筹伯大学Jian Jin团队在《Plant and Soil》发表的研究，首次系统比较了三种重要经济作物（油菜、白羽扇豆和小麦）在eCO₂下的根际激发效应差异及其微生物机制。

研究采用自然13C富集土壤区分植物源与土壤源CO₂，通过控制实验量化不同CO₂浓度(400 vs 800 ppm)下作物根际的碳流变化。结合高通量测序分析微生物群落结构，并测定土壤酶活性等生化指标，从功能基因到生态系统层面解析碳损失机制。

Elevated CO₂ increased rhizosphere priming in lupin-grown soil
实验发现eCO₂使白羽扇豆根际激发效应在48天和63天时分别增加2.0和2.3倍，而油菜和小麦无显著变化。这种差异与DOC/矿质氮比值密切相关：白羽扇豆该比值达101，显著高于油菜(22)和小麦(36)。通过δ13C示踪证实，eCO₂下白羽扇豆根际释放的植物源CO₂-C增加，同时土壤源CO₂-C显著升高，表明其SOC分解加速。

Actinobacteriota genera facilitated SOC mineralization
系统发育分析显示，放线菌门的链霉菌属(Streptomyces)、地嗜皮菌属(Geodermatophilus)和分枝杆菌属(Mycobacterium)在白羽扇豆根际特异性富集，占总菌群的13.6%。这些菌属具有降解复杂有机物的能力，其丰度与β-1,4-葡萄糖苷酶等水解酶活性升高呈正相关。真菌群落中，担子菌门的Udeniozyma酵母菌占比2.3%，可能协同参与顽固性SOC的分解。

Microbial N competition shaped priming patterns
eCO₂使白羽扇豆根瘤生物量增加85-223%，缓解了植物-微生物氮竞争，而油菜和小麦根际矿质氮降至1.2-2.8 mg/kg。这种氮限制状态促使微生物分泌N-乙酰葡糖胺酶等氮获取酶，通过"共代谢"机制加速含氮有机物的矿化。微生物熵（土壤呼吸/MBC）与激发效应显著正相关(r=0.61)，证实了微生物代谢活性对SOC损失的关键调控作用。

该研究首次揭示eCO₂通过改变作物根际碳氮化学计量比，特异性富集放线菌等寡营养型微生物，进而调控SOC分解的分子机制。白羽扇豆表现出的强激发效应提示，在气候变化背景下需谨慎选择轮作作物以维持土壤碳库。研究建立的微生物标记物体系（如Streptomyces/Udeniozyma比值）为农田固碳措施优化提供了生物指示工具，对实现农业碳中和目标具有重要实践意义。