降水变率下根际与非根际土壤有机碳固存的分异机制：基于微生物生活史策略的证据

为解决气候变化背景下降水变率如何差异化调控根际与非根际土壤有机碳（SOC）固存机制这一科学问题，研究人员通过8年田间降水梯度实验（-50%至+50%），揭示了微生物生活史策略驱动的碳分配路径分异。结果表明：根际SOC以矿物结合态有机碳（MAOC）为主导（占比提升至88.8%），非根际SOC依赖颗粒有机碳（POC）贡献（占比增至17.5%）；细菌r-策略化与真菌功能群解耦是核心驱动因素。该研究为干旱区农业碳中和提供了分区调控理论依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，降水模式的改变正深刻影响着占地球陆地面积40.6%的旱地农业生态系统。这些区域不仅承担着全球44%的表层土壤碳储存功能，其雨养农业系统还面临降水波动导致的作物减产与土壤碳流失双重威胁。传统观点认为矿物结合态有机碳（MAOC）具有高度稳定性，但最新研究发现旱地MAOC的脆弱性堪比颗粒有机碳（POC），而当前研究多聚焦极端降水事件，对中等降水梯度下碳循环机制的认知存在显著空白。更关键的是，根际——这个不足土壤体积5%却驱动三分之一碳氮转化的"生物化学反应器"，其与非根际土壤的碳固存路径分异长期被忽视，导致气候模型预测存在系统性偏差。

针对这一系列科学难题，中国科学院水利部水土保持研究所的研究团队在中国黄土高原典型旱作农田开展了为期8年的多梯度降水控制实验（-50%、-25%、自然降水、+25%、+50%），以大豆根际与非根际土壤为研究对象，结合微生物组学与碳组分分析，首次揭示了降水增加背景下土壤碳库的空间分异机制。相关成果发表在《Applied Soil Ecology》上，为旱区农业碳中和提供了精准调控的理论基础。

研究团队运用降水梯度模拟系统、同位素标记示踪、高通量测序（16S rRNA和ITS）、微孔板酶谱分析等技术，结合偏最小二乘路径模型（PLS-PM），系统解析了土壤碳组分动态与微生物功能群的耦合关系。关键样本来自黄土高原五里湾流域（年均降水525mm）的长期定位试验场，通过根际袋法实现根际与非根际土壤的精准分离。

响应特征：碳库组分的空间分异
降水增加使根际与非根际SOC分别提升20.5%和22.5%，但碳赋存形态呈现显著空间分异。根际土壤MAOC占比从80.3%跃升至88.8%，形成"矿物主导型"固存模式；而非根际土壤POC贡献率从12.5%增至17.5%，呈现"颗粒富集型"特征。值得注意的是，根际溶解性有机碳（DOC）增幅达30.6%，显著高于非根际的8.7%，暗示根系分泌物在驱动碳转化中的核心作用。

微生物群落的策略解耦
细菌群落表现出明显的r-策略化趋势：根际与非根际土壤的寡营养/富营养型菌群比值分别下降41.2%和33.5%，rrn基因拷贝数显著增加。与之形成鲜明对比的是，真菌群落保持策略稳定性，但其α多样性呈现空间异质性——根际土壤真菌多样性随降水增加而上升，非根际则下降15.3%。这种功能群解耦现象揭示了微生物对碳循环的差异化调控路径。

机制解析：根际与非根际的双路径模型
PLS-PM路径分析表明，根际碳固存通过"根系分泌物-微生物r化-MAOC形成"链条实现：降水刺激根系分泌量增加70.7%，且分泌物C/N比提升119.8%，诱发微生物氮挖掘效应，促进MAOC的矿物结合。而非根际碳积累依赖"降水-团聚体保护-微生物多样性-POC稳定"路径，大团聚体（>2mm）含量增加23.4%是POC保护的关键物理屏障。

这项研究开创性地提出了旱作农田根际与非根际碳固存的"双通道模型"，突破了传统土壤碳研究的均质化假设。发现微生物生活史策略的空间分异是调控碳分配路径的核心开关，为发展根区精准碳管理技术提供了理论支撑。特别是在气候变化背景下，研究揭示的中等降水梯度效应（非极端事件）对农业碳中和策略制定具有更广泛的指导价值。该成果不仅修正了旱地MAOC稳定性的传统认知，更通过揭示C/N化学计量比与微生物策略的耦合关系，为发展"微生物导向型"碳增汇技术指明了新方向。