速生树种细根性状如何促进土壤有机碳稳定化？基于杂交杨树克隆的性状-功能关系解析

本研究针对森林生态系统土壤有机碳(SOC)稳定化机制这一关键科学问题，通过分析5种杂交杨树克隆的细根功能性状与SOC组分关系，揭示了细根性状对碳固定的深度依赖性调控规律。研究人员发现：在0-20 cm表层，高比根长(SRL)促进SOC积累；在20-40 cm深层，根长密度(RLD)和根质量密度(RMD)通过增加矿物结合有机碳(MAOC)实现长期固碳。该研究为人工林碳汇管理提供了性状选择的理论依据，论文发表于《Plant and Soil》。

　　

研究背景与科学问题
土壤作为陆地生态系统最大的碳库，其有机碳储量是植被碳库的3-4倍。在全球气候变化加剧的背景下，如何通过植物-土壤互作增强土壤碳固定成为关键科学问题。细根（直径<2 mm）作为树木碳分配的重要通道，贡献了森林33-67%的净初级生产力，但其性状如何通过不同机制影响土壤有机碳(SOC)的长期稳定仍存在三大争议：化学性状方面，传统认为木质素等难分解化合物通过选择性保存形成颗粒有机碳(POC)，但新证据表明易分解化合物可能通过微生物代谢产物促进矿物结合有机碳(MAOC)形成；形态性状中，比根长(SRL)与分解速率的关系存在物种依赖性；而根长密度(RLD)等架构性状对矿物相互作用的直接证据仍缺乏。

研究设计与方法
加拿大自然资源部等机构的研究团队Toky Jeriniaina Rabearison等选取5种根系性状差异显著的杂交杨树克隆（14年生），在安大略省Gleysol土壤开展研究。通过分层(0-20/20-40 cm)采集土芯，结合湿筛法分离POC(>53μm)和MAOC(<53μm)组分，同步测定8类细根性状：形态学（直径、SRL、组织密度RTD）、架构学（RLD、RMD）和化学性状（可溶性化合物、木质素/N比）。采用线性混合模型分析性状-碳库关系，控制区块随机效应和距树干距离固定效应。

主要研究发现

细根性状对SOC储量的深度分异

表层土壤(0-20 cm)中，高RTD和根干物质含量(RDMC)显著降低SOC储量（R²=0.14），因其延长根系寿命减少碳输入；而高SRL通过加速周转增加碳输入（R²=0.09）。深层(20-40 cm)则显示RLD和RMD每增加1单位，SOC分别提升7.42和15.65 Mg ha^-1，证实根系空间拓展是深层固碳关键。

矿物结合碳(MAOC)的驱动机制

深层MAOC与可溶性化合物浓度呈显著正相关（R²=0.14），支持"微生物效率-基质稳定化"假说：易分解化合物通过低能耗代谢促进微生物残体吸附于矿物表面。小直径根系（高比表面积）同样提升MAOC（R²=0.12），而RLD和RMD分别解释21%和9%的MAOC变异，证实根系空间分布通过增加根-土接触面促进矿物结合。

颗粒碳(POC)的调控因素

表层POC与RLD显著正相关（R²=0.23），表明高密度根系通过残体碎片直接贡献POC。但木质素浓度与POC无关联，挑战了传统"难分解物质主导POC形成"的观点。

结论与意义
该研究首次在系统发育相近的速生树种中揭示：1）深层固碳主要依赖根系空间探索能力（RLD/RMD）和易分解化合物输入，而非传统认为的化学难降解性；2）MAOC形成路径（微生物-矿物相互作用）比POC（物理截留）对碳长期稳定更具决定作用。这些发现为人工林碳汇管理提供了新策略——选择高RLD、高可溶性化合物浓度的无性系，可同步提升生产力与深层碳封存潜力。研究结果对完善地球系统模型中的根系功能参数具有重要价值，也为基于性状的碳中和造林提供了理论框架。