气候变暖导致稻田土壤微生物群落不稳定并降低秸秆碳封存效率

针对气候变暖下稻田土壤有机碳（SOC）流失问题，中国科学院团队通过13C/15N标记秸秆实验结合宏基因组测序，揭示升温通过降低微生物多样性、破坏群落网络稳定性及抑制碳氮矿化基因（如纤维素酶和谷氨酸脱氢酶），削弱秸秆对矿物结合态碳（MOC）的补充能力。该研究为全球稻田碳循环模型提供了关键微生物机制证据，发表于《Journal of Advanced Research》。

　　

在全球气候变暖背景下，土壤作为陆地生态系统中最大的碳库，其有机碳（SOC）稳定性面临严峻挑战。稻田土壤因长期淹水形成独特的厌氧环境，其碳循环机制与旱地存在显著差异。尽管秸秆还田被视为维持SOC的重要措施，但升温如何通过微生物介导影响秸秆碳（straw-C）的转化与封存仍不明确。尤其令人担忧的是，升温可能通过改变微生物群落结构和功能，削弱秸秆对土壤碳库的补充作用，进而加剧气候变暖的正反馈效应。

为解析这一机制，中国科学院东北地理与农业生态研究所联合多家机构，利用¹³C/¹⁵N双标记水稻秸秆，在25°C、35°C和45°C下进行140天培养实验，结合宏基因组测序和固态¹³C核磁共振（NMR）技术，系统研究了升温对稻田土壤微生物群落及碳氮转化的影响。

关键技术方法
研究采用三温度梯度（25/35/45°C）控制实验，通过同位素标记量化秸秆碳在颗粒有机碳（POC）和矿物结合态碳（MOC）中的分配；利用16S rRNA测序和宏基因组分析微生物群落结构与功能基因；通过¹³C NMR解析SOC化学组成；基于网络分析和结构方程模型（SEM）揭示微生物属性与碳封存的关联。

研究结果

1. 原生SOC变化与秸秆碳封存
升温显著降低MOC含量（降幅达5%），而秸秆还田未能补偿这一损失。固态¹³C NMR显示升温降低烷基C/O-烷基C比值，表明稳定碳组分降解。尽管45°C下POC中秸秆碳增加，但其易分解特性不利于长期固碳。

2. 微生物系统发育与功能多样性
升温使微生物α多样性指数下降19%（35°C）至43%（45°C），β多样性显著改变，Firmicutes（厚壁菌门）富集而Chloroflexi（绿弯菌门）等敏感类群减少。网络分析显示升温降低节点数（-38%）和关键物种比例，导致群落稳定性下降。

3. 微生物代谢功能抑制
宏基因组数据表明，45°C显著降低纤维素、半纤维素及芳香化合物降解基因的丰度（如内切葡聚糖酶基因减少52%），同时氮矿化基因（如谷氨酸脱氢酶）表达受抑。SEM证实群落网络复杂性下降直接削弱碳矿化功能，进而降低秸秆碳向MOC的转化效率。

结论与意义
该研究首次揭示气候变暖通过"微生物多样性丧失-网络稳定性降低-代谢功能衰退"的级联效应，削弱稻田土壤的秸秆碳封存能力。这一发现挑战了传统认为秸秆还田可抵消升温致碳流失的假设，为全球碳循环模型纳入微生物响应机制提供实证。研究建议未来通过接种耐热合成菌群（SynComs）或生物肥料，定向调控微生物功能以提升稻田生态韧性。论文发表于《Journal of Advanced Research》，对制定气候变化下农业固碳策略具有重要指导价值。