造林通过调控微生物-植物源碳降解基因促进土壤碳积累的非线性动态机制

针对干旱区造林后土壤碳(SOC)积累的微生物驱动机制不明问题，研究人员以塔克拉玛干沙漠柽柳造林序列(0-10年)为对象，结合CAZymes(碳水化合物活性酶)和胞外酶活性(EEAs)分析，揭示微生物降解植物源碳(纤维素/木质素)的基因丰度随造林年限呈非线性变化(峰值在7年)，而细菌源(肽聚糖)与真菌源(几丁质)碳降解基因呈现相反趋势，阐明了微生物代谢功能基因对SOC组分的差异化调控机制，为干旱区碳汇管理提供理论依据。

　　

在全球气候变化背景下，土壤作为陆地生态系统最大的碳库，其固碳潜力备受关注。干旱区占全球陆地面积的40%，却因严酷的环境条件导致土壤碳(SOC)周转机制研究严重滞后。中国提出2060碳中和目标，其中造林被证实可抵消全球68%的CO₂排放，但干旱区SOC积累的微生物驱动机制仍是"黑箱"。传统研究多聚焦湿润区表层土壤，忽视了干旱区深层碳库的稳定性及微生物代谢的关键作用。更棘手的是，微生物对植物源(纤维素/木质素)和微生物源(肽聚糖/几丁质)碳的降解存在显著差异，这种差异如何响应造林年限变化？中国科学院新疆生态与地理研究所等机构的研究团队以塔克拉玛干沙漠柽柳(T. ramosissima)造林序列(0/3/7/10年)为天然实验室，通过多组学手段破解了这一难题，成果发表于《Journal of Environmental Management》。

研究采用时空替代法，采集0-100 cm土层样本，结合SOC组分分析、CAZymes宏基因组测序和β-葡萄糖苷酶(BG)、N-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)等胞外酶活性测定。通过对比不同造林年限下微生物功能基因与碳组分的关联性，揭示出三个关键发现：

土壤有机碳组分和EEAs随造林年限的变化
数据显示SOC含量在造林7年时达到峰值，较荒地提升1.5倍，但10年后出现下降。植物源碳和真菌源碳同样在7年时最高，而细菌源碳变化不显著。酶活性分析显示BG、NAG和木聚糖酶(XYL)在7年时活性最强，表明微生物代谢存在明显的时间阈值效应。

造林对SOC的影响机制
CAZymes基因谱揭示：降解植物源碳的基因占比高达90.87-91.72%，但随造林年限增加而减少；降解细菌源碳(肽聚糖)的基因(6.60-7.46%)呈"V"型变化，真菌源碳(几丁质/葡聚糖)降解基因(1.37-2.20%)则呈倒"V"型。这种分化说明微生物在碳源利用上存在"策略转换"——随造林年限增加，从优先降解难分解的植物物质转向更易利用的微生物残体。

结论与意义
研究首次阐明干旱区造林通过改变土壤养分状况，驱动微生物功能基因从植物源碳降解向微生物源碳降解的适应性转变，这种非线性动态(7年为拐点)直接影响SOC积累效率。发现深层土壤(20-100 cm)碳库对造林的响应滞后于表层，为全球碳模型低估干旱区碳汇潜力提供了机制解释。成果不仅揭示了CAZymes基因作为SOC动态的"生物标记物"价值，更指导了干旱区造林实践中碳汇功能的最大化时机选择。