降水梯度驱动下旱作农田根际与非根际土壤碳库分异机制及其微生物调控路径

针对气候变化背景下降水变率如何影响旱作农田土壤碳库分异这一关键科学问题，中国科学院水利部水土保持研究所团队通过8年降水梯度控制实验（-50%至+50%），揭示了根际土壤通过矿物结合态有机碳（MAOC）主导、非根际土壤依赖颗粒有机碳（POC）积累的碳汇分异机制，发现微生物r/K策略解耦与功能群空间异质性是驱动碳循环的关键，为气候敏感型农业生态系统碳管理提供理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，降水格局的改变正深刻影响着占陆地面积40.6%的旱作农业区——这些区域不仅承载着全球44%的表层土壤碳库，更是粮食安全的重要保障。然而，传统研究多聚焦极端降水事件，对频繁发生的中度降水变率如何通过根际与非根际土壤的差异化响应影响碳循环仍知之甚少。更关键的是，根际这个不足土壤体积5%却贡献三分之一碳氮转化的"生化反应器"，其与外围土壤在碳稳定机制上是否存在本质区别？这一认知缺口直接制约着气候-碳耦合模型的预测精度。

针对这一科学难题，中国科学院水利部水土保持研究所团队在黄土高原典型旱作农田建立了长达8年的降水梯度控制实验平台（-50%、-25%、自然降水、+25%、+50%），以大豆为模式作物，首次系统解析了降水变率下根际与非根际土壤碳库分异规律及其微生物驱动机制。研究发现，降水增加使根际土壤有机碳（SOC）提升20.5%，其中矿物结合态有机碳（MAOC）贡献率从80.3%增至88.8%；而非根际土壤SOC增加22.5%则主要依赖颗粒有机碳（POC）的积累（POC/SOC比从12.5%升至17.5%）。这种空间分异背后是截然不同的微生物调控路径：根际区通过降水诱导的根系分泌物C/N比提升（119.8%）富集r策略细菌，促进MAOC形成；而非根际区则依靠细菌α多样性增加和团聚体物理保护维持POC稳定。该成果发表于《Applied Soil Ecology》，为旱区农业应对气候变化提供了精准碳管理策略。

关键技术方法包括：1）多梯度降水控制实验系统（5个处理梯度）；2）根际与非根际土壤分室采样技术；3）有机碳组分分离（MAOC、POC、DOC）；4）微生物rrn基因拷贝数分析；5）高通量测序与功能预测；6）偏最小二乘路径模型（PLS-PM）。

【响应SOC库、根系分泌物和土壤性质对降水变率的响应】
降水增加显著提升根际与非根际SOC及其组分含量，但形成路径迥异。根际MAOC增幅（33.4%）是非根际（16.4%）的两倍，且根系分泌物C/N比随降水增加呈指数上升，暗示碳分配策略的生态位分化。

【微生物群落对降水变化响应的空间分异与功能群解耦】
细菌群落呈现明显r策略化趋势（oligo/copiotroph比下降，rrn拷贝数增加），而真菌策略保持稳定。值得注意的是，根际细菌α多样性随降水增加而提升，但非根际真菌α多样性反而降低，反映不同功能群对水分响应的阈值差异。

【结论与意义】
该研究首次提出"根际-MAOC-微生物r策略"与"非根际-POC-多样性保护"的二元碳汇模型，突破传统土壤碳循环的同质化认知。发现根系分泌物C/N比>27时触发"氮挖掘效应"，而<9时促进MAOC形成的双面作用，为通过作物根性状改良调控碳汇提供新思路。建立的降水-微生物-碳库耦合框架，可显著提升干旱区农业生态系统碳循环模型的预测能力，对实现"双碳"目标下的气候智慧型农业具有重要指导价值。