农业生态系统中微生物-矿物碳泵协同作用增强土壤有机碳稳定性的机制研究

为解决土壤有机碳(SOC)稳定化机制不清、难以预测气候变化下碳库变化的问题，南京农业大学资源与环境科学学院研究人员开展了微生物碳泵(MCP)与矿物碳泵(MnCP)耦合机制研究。通过6年田间试验发现，MCP-MnCP协同贡献10.3%-14.9%的稳定碳库(SSOCP)，土壤全磷和全钾分别是调控MCP和MnCP效能的关键因子。研究首次揭示病毒通过裂解调节微生物生物量而非群落结构影响MCP效能，提出免耕+秸秆覆盖+中氮组合的最优管理措施。该研究为农业碳中和提供了理论依据和技术路径。

　　

土壤作为地球最大的陆地碳库，储存的碳量超过大气和植被的总和。农业土壤占全球土壤碳储量的37.5%，通过"千分之四"倡议，每年增加0.4%的土壤碳储量就能显著抵消人为CO₂排放。然而，当前面临的核心难题是：土壤有机碳的稳定机制仍不明确，导致难以预测气候变化下的碳库动态。微生物碳泵(MCP)和矿物碳泵(MnCP)被认为是调控SOC稳定的关键过程，但二者如何协同工作？哪些因素影响其效能？农业管理措施又如何通过调控这些过程来增强碳封存？这些问题亟待解答。

南京农业大学资源与环境科学学院、农业农村部东南地区绿色低碳农业重点实验室的研究团队，在山东禹城农业生态系统国家观测研究站开展了为期6年的田间试验。研究采用三因素裂区设计，设置耕作方式(免耕vs常规耕作)、秸秆管理(覆盖vs不覆盖)和氮肥水平(中氮vs高氮)共8种处理组合，通过多组学方法揭示了MCP-MnCP耦合驱动SOC稳定的新机制。

研究主要采用静态箱法连续监测土壤呼吸(Rs)，结合根区隔离技术区分自养(Ra)和异养呼吸(Rh)；运用¹⁸O-H₂O标记法测定微生物碳利用效率(CUE)；通过氨基糖生物标志物(胞壁酸MurA、葡糖胺GlcN、半乳糖胺GalN)量化微生物残体碳(MNC)；利用宏基因组测序解析微生物群落；采用随机森林和结构方程模型分析驱动因素。

贡献分析揭示MCP-MnCP协同主导碳稳定

数据显示，MCP-MnCP串联路径(微生物转化→矿物保护)贡献SSOCP的10.3%-14.9%，平行路径(单独作用)贡献55.1%。其中SMMNNT处理(免耕+秸秆覆盖+中氮)效果最佳，SSOCP达70.1 t ha^-1。值得注意的是，单独增强MCP效能会使SSOCP降低18.7%，而MnCP对SSOCP的影响强度是MCP的2.3倍。

土壤元素差异化调控双泵效能

随机森林分析表明，全磷是MCP效能的首要正调控因子，而SOC含量呈负相关；全钾和pH分别正、负调控MnCP效能。结构方程模型显示，病毒主要通过调节微生物"活体-残体"比率(解释51.5%变异)而非改变群落结构(解释26.2%)来影响MCP效能。

农业管理优化双泵耦合

免耕通过增加容重(47.8%贡献率)促进矿物保护；秸秆覆盖提升钾含量强化MnCP；中氮水平避免过量氮降低SOC:TN比。病毒负载呈现"钟形曲线"效应：中等负载使微生物量增加34.3%，但高负载导致微生物量和多样性分别下降14.1%和12.3%。

该研究首次量化了MCP-MnCP串联与平行路径对SOC稳定的相对贡献，突破了过去孤立研究微生物或矿物过程的局限。发现土壤全磷和全钾分别是调控双泵效能的关键元素，为精准施肥提供依据。揭示病毒通过"裂解-再利用"途径调控微生物周转的新机制，修正了传统认为病毒仅通过改变群落结构影响碳循环的认知。提出的免耕+秸秆覆盖+中氮组合措施，在实践中平衡了碳输入与稳定化的关系，使矿物保护路径贡献提升至14.9%。这些发现为设计"碳智能"农业系统提供了理论框架和技术路径，对实现"双碳"目标具有重要意义。论文发表在《Environmental Technology》期刊，为全球农业土壤碳汇管理提供了中国方案。