植物根系正激发效应加速永冻土碳释放：北极圈土壤碳库稳定性的新挑战

为揭示北极永冻土碳循环对气候变暖的响应机制，Nina L.Friggens团队通过13CO2标记实验，首次证实活体植物根系通过正激发效应（RPE）使永冻土碳损失增加31%。该研究发表于《Nature Communications》，揭示了植物-土壤-微生物互作在永冻土碳反馈中的关键作用，为全球碳模型提供了关键参数。

　　

论文解读

北极永冻土如同地球的“天然冰柜”，封存着约1.5万亿吨有机碳，是全球土壤碳库的2倍。随着气候变暖，这个冰柜正在解冻——过去20年北极活动层厚度以每年0.8厘米的速度加深，植物根系随之向更深层土壤拓展。但令人担忧的是，这些新入驻的根系可能像“微生物的兴奋剂”，通过分泌有机物质激活冻土中沉睡的微生物群落，加速古老碳的分解。这种被称为“根系激发效应”（Rhizosphere Priming Effect, RPE）的现象，在温带生态系统中已被证实可使土壤碳损失增加40%，但在永冻土区却长期缺乏直接证据。

为了破解这一科学难题，英国埃克塞特大学领衔的国际团队在《Nature Communications》发表突破性研究。研究人员设计了一套精密的13CO₂标记系统（BLOSOM），模拟5个北极生长季的环境条件，对采自加拿大西北部连续/不连续永冻土带的31种土壤进行实验。通过对比有根与无根土壤的碳释放动态，首次量化了活体植物对永冻土碳库的真实影响。

关键技术方法
研究团队创新开发了持续370天的13CO₂标记生长室（BLOSOM），能精确控制5°C土壤温度与500‰δ13C大气富集度。采用分室培养系统（中央种植Agrostis capillaris，侧室装填永冻土/活动层土壤），通过同位素质量平衡方程区分植物源与土壤源CO₂。样本涵盖加拿大西北部4类典型永冻土（Orthels、Turbels、热喀斯特湖沉积物、yedoma冰缘沉积），并设置营养添加组（10倍微生物生物量氮）探究调控机制。

研究结果

正激发效应在活动层与永冻土中的差异表现
实验数据显示，根系存在使永冻土碳释放量平均提升31%（RPE比率1.31）。活动层土壤的激发效应仅在前185天显著（RPE 1.39），后期降至基线水平；而永冻土的激发强度随时间持续增强，300天后RPE超1.5。这种差异暗示永冻土中存在更持久的“可激发碳池”，可能是矿物结合态有机质被根系分泌物（如有机酸）持续活化所致。

调控正激发效应的关键因素
土壤碳氮特性显著影响RPE强度：低C/N比（<20）土壤中激发效应更强，但永冻土即使在高C/N比（37.6）下仍保持正激发。营养添加实验显示，10倍微生物量氮的补充可使早期RPE消失（比率1.06），但185天后效应重现，说明微生物氮挖掘（N-mining）仅是阶段性驱动因素。值得注意的是，永冻土的激发强度与土壤碳含量呈显著负相关（p=0.027），印证了“微生物碳限制”理论。

根系分泌物与根凋落物的角色
通过阶段性切断根系输入发现，活体根系分泌的速效碳（而非凋落物）是激发主要驱动力——切断根系1个月内SOM分解速率即下降。这与添加人工根系分泌物的培养实验结果一致，但活体系统能产生更复杂的时空动态效应。

研究结论与意义
该研究首次证实：活体植物通过正激发效应使永冻土碳损失增加31%，且这种效应在深层永冻土中具有持续增强特性。这一发现颠覆了传统模型仅考虑温度解冻效应的局限性，揭示植物-微生物互作是永冻土碳循环的关键调控环节。

从机制上看，正激发效应是微生物碳限制与植物-微生物营养竞争共同作用的结果：当根系分泌物缓解微生物碳限制时，会触发“共代谢”加速SOM分解；而当植物与微生物竞争氮素时，则可能通过分泌酶促进有机氮矿化。这种双重调控机制解释了为何营养添加仅能暂时抑制而非消除激发效应。

研究团队特别强调，由于北极70%碳储存在30厘米以下永冻层，持续的正激发效应可能使现有气候模型低估40 Pg（百亿吨）的潜在碳释放。该成果为IPCC评估报告提供了关键过程参数，并提示未来需重点关注北极“绿化”与“褐化”区域的地下碳动态差异。正如通讯作者lain P. Hartley指出：“忽略根系激发效应，就像预测冰盖融化时只考虑温度而忽视洋流——我们可能漏掉了碳循环拼图的核心一块。”