在應(yīng)對全球氣候變化與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)中，如何通過農(nóng)業(yè)管理措施提升土壤碳匯能力、優(yōu)化碳循環(huán)過程，成為保障土壤生態(tài)功能與資源高效利用的核心問題。作物通過光合作用固定大氣中的CO?(光合碳)是土壤碳固存的重要前體，而秸稈還田作為典型的保護性農(nóng)業(yè)措施，既能補充土壤碳源與養(yǎng)分，又能激活土壤食物網(wǎng)。為此，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所土壤健康維持機制與生物調(diào)控途徑創(chuàng)新組群在遼寧沈陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，利用田間試驗與13C同位素標(biāo)記微區(qū)試驗(圖1)，系統(tǒng)探究了秸稈還田條件下土壤食物網(wǎng)介導(dǎo)的光合碳轉(zhuǎn)化及土壤碳固存的調(diào)控機制。

圖1標(biāo)記同位素碳在作物-土壤-土壤食物網(wǎng)中流動、轉(zhuǎn)化和固存過程的概念圖

主要的研究亮點如下：

秸稈還田提升土壤有機碳、重塑土壤食物網(wǎng)、激發(fā)光合碳的高效轉(zhuǎn)化

秸稈還田使土壤顆粒有機碳(POC)和礦物結(jié)合態(tài)有機碳(MAOC)含量顯著提高 30.96% 和 11.39%，同時也改變了土壤食物網(wǎng)生物群落組成，微生物、小型和中型土壤動物間形成更緊密的營養(yǎng)級聯(lián)關(guān)系。秸稈還田通過“原生碳分解”與“新碳輸入”的共同作用，激發(fā)了光合碳向土壤中的輸入轉(zhuǎn)化以及土壤碳固持。

小型土壤動物作為“橋梁”是碳轉(zhuǎn)化更新的核心調(diào)控者

對土壤碳更新貢獻的量化分析顯示，與土壤微生物和中型土壤動物相比，小型土壤動物(線蟲)對土壤碳更新的貢獻率更高，達 60.52%(圖2)。小型土壤動物作為“中介者”在土壤微生物和中型土壤動物之間搭建了一個橋梁，通過增強土壤食物網(wǎng)內(nèi)部的協(xié)同效應(yīng)促進了土壤活性碳(POC)與穩(wěn)定碳(MAOC)的周轉(zhuǎn)，影響二者之間的權(quán)衡關(guān)系，成為碳轉(zhuǎn)化的核心調(diào)控者。

圖2 13C的相對轉(zhuǎn)化率以及土壤食物網(wǎng)各類群對碳轉(zhuǎn)化的相對貢獻

作物-土壤-土壤食物網(wǎng)協(xié)同驅(qū)動和調(diào)控碳固存過程

對光合碳轉(zhuǎn)化路徑的追蹤結(jié)果表明，光合碳通過“作物→土壤→土壤食物網(wǎng)”這一鏈條進行高效周轉(zhuǎn)，同時細菌分解通道促進了 POC 的快速更新，真菌分解通道促進了 MAOC的穩(wěn)定積累(圖3)。作物-土壤-土壤食物網(wǎng)的協(xié)同效應(yīng)，促進了光合碳在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化和固存。

圖3秸稈還田(SR)條件下土壤食物網(wǎng)不同營養(yǎng)類群對顆粒有機碳(POC)

和礦物結(jié)合態(tài)有機碳(MAOC)的作用

綜上，該研究率先明確了“秸稈還田→土壤食物網(wǎng)重構(gòu)→光合碳高效轉(zhuǎn)化→土壤碳固存”的鏈式調(diào)控機制，證實秸稈還田通過激發(fā)效應(yīng)與更新效應(yīng)的協(xié)同作用，推動光合碳向土壤穩(wěn)定碳庫分配，且小型土壤動物在其中發(fā)揮核心調(diào)控作用。研究結(jié)果為優(yōu)化保護性農(nóng)業(yè)措施、提升農(nóng)田土壤碳匯能力提供了關(guān)鍵的生物學(xué)依據(jù)，同時也為理解“地上—地下生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控”機制提供了新視角。

該研究成果以“Stover return enhances the transformation and sequestration of photosynthetic carbon through regulating soil food web”為題，發(fā)表于SCI期刊《Journal of Cleaner Production》(Ⅰ區(qū)，影響因子10.0)。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所已畢業(yè)的田藝佳博士為第一作者，張曉珂研究員為通訊作者。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所梁文舉研究員和李琪研究員，東北師范大學(xué)寇新昌副教授以及沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)安婷婷副教授和孫良杰老師也參與指導(dǎo)了該項工作。研究得到國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目(U22A20501)、國家重點研發(fā)計劃項目(2022YFD1500600)等項目的資助。