土壤有機(jī)碳絕大部分來(lái)自光合碳的輸入與轉(zhuǎn)化，光合碳通過(guò)根系周轉(zhuǎn)與根系分泌物等進(jìn)入土壤碳庫(kù)。植物殘?bào)w和凋落物經(jīng)過(guò)復(fù)雜的分解過(guò)程后形成土壤有機(jī)碳組分，秸稈還田與有機(jī)肥施用也是稻田土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源，由于這兩部分的來(lái)源較為直接，目前已有較多研究，認(rèn)識(shí)也較清楚。而來(lái)源于根系分泌物及其脫落物的根際沉積碳，由于其代謝周轉(zhuǎn)快，具有復(fù)雜性和多變性，盡管已有一些研究，但還不十分清楚這部分碳的命運(yùn)（圖1）。另外，微生物可以通過(guò)多條固碳途徑進(jìn)行CO2同化，其中，卡爾文循環(huán)是光能自養(yǎng)生物與化能自養(yǎng)生物同化CO2的主要途徑，在調(diào)節(jié)大氣CO2濃度發(fā)揮著重要的作用。而且，土壤中也存在相當(dāng)數(shù)量的光能自養(yǎng)生物與化能自養(yǎng)生物。因此，稻田土壤微生物是否也存在其他固碳途徑，其對(duì)稻田碳循環(huán)的貢獻(xiàn)如何，更是缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，處于灰箱狀態(tài)（圖1）。
圖1 稻田土壤有機(jī)碳來(lái)源
基于此，近幾年來(lái)，中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程方向研究團(tuán)隊(duì)、長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站，在國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家外國(guó)專(zhuān)家局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國(guó)際合作伙伴計(jì)劃等的資助下，整合14C同位素標(biāo)記技術(shù)和微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)（克隆文庫(kù)、T-RFLP及定量PCR），結(jié)合室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)與稻田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，聚焦于典型稻田生態(tài)系統(tǒng)的生物固碳過(guò)程與機(jī)制，從水稻光合碳的輸入、轉(zhuǎn)化（圖2）及其土壤微生物固碳功能及其生物學(xué)機(jī)制（圖3）兩方面開(kāi)展工作，取得了一系列重要進(jìn)展。
應(yīng)用14CO2連續(xù)示蹤技術(shù)，從光合碳的輸入與轉(zhuǎn)化，不同養(yǎng)分條件對(duì)光合碳傳輸?shù)挠绊懸约肮夂咸嫉姆纸鈩?dòng)態(tài)三方面來(lái)揭示光合碳向土壤碳庫(kù)的輸入與轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)機(jī)制（圖2）。結(jié)果表明，在水稻拔節(jié)灌漿期內(nèi)，通過(guò)水稻的根際沉積作用，有4-6%的光合碳進(jìn)入土壤有機(jī)碳庫(kù)，這部分新碳對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳的貢獻(xiàn)為2-4%，對(duì)土壤微生物生物量碳的貢獻(xiàn)為9-18%。同時(shí)，水稻光合碳的輸入抑制了稻田土壤原有有機(jī)碳的礦化分解，表現(xiàn)出明顯的負(fù)激發(fā)效應(yīng)，這對(duì)維持稻田土壤的碳匯功能具有十分重要的作用，研究結(jié)果發(fā)表在Soil Biology & Biochemistry（Ge et al., 2012, 48: 39–49)。而且，不同施氮水平亦對(duì)水稻光合碳輸入及其在不同碳庫(kù)中分配產(chǎn)生影響，結(jié)果表明，在較高的施N水平下，水稻地上部對(duì)碳的積累能力相對(duì)較強(qiáng)，水稻光合碳通過(guò)根際沉積作用輸入到土壤中的14C-SOC的含量亦相對(duì)較高，施N水平明顯促進(jìn)了水稻新鮮根際碳的沉積，且高氮水平下根際沉積的碳量高于低氮與中量氮水平。同時(shí)，水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，根系分泌物促進(jìn)了土壤微生物生物量碳（MBC）的增加，施N水平顯著影響土壤MBC的更新率，而對(duì)DOC更新率的影響較小。研究結(jié)果發(fā)表在Plant and Soil（Ge et al., 2014, DOI: 10.1007/s11104-014-2265-8）。該研究量化了水稻光合碳輸入對(duì)土壤不同碳庫(kù)的貢獻(xiàn)，解析了光合碳在地下部的動(dòng)態(tài)去向，研究為深入解析稻田碳循環(huán)及土壤微生物在光合碳轉(zhuǎn)化中的作用機(jī)制提供了重要的理論基礎(chǔ)。
圖2 水稻光合碳的輸入與在土壤中轉(zhuǎn)化示意圖
在稻田土壤微生物固碳（同化大氣CO2）功能方面，研究人員利用14C連續(xù)標(biāo)記技術(shù)，結(jié)合密閉系統(tǒng)培養(yǎng)土壤開(kāi)展工作（圖3），研究表明，無(wú)論是80d還是110d的培養(yǎng)期，在光照處理下，農(nóng)田土壤微生物均具有可觀的CO2同化能力，據(jù)估算，他們的CO2日同化速率在0.01-0.1gCm？2之間。如果推算到全球陸地生態(tài)系統(tǒng)，理想狀態(tài)下，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的年碳同化量在0.3-3.7Pg。然而，遮光處理的土壤，其微生物的碳同化功能被完全抑制了。研究結(jié)果發(fā)表在Geochimica et Cosmochimica Acta（Ge et al., 2013, 113: 70–78）。同時(shí)，研究表明，土壤微生物的光合固碳作用只發(fā)生在表層土壤，但表層同化碳可以向下傳輸，這可能為底層的化能自養(yǎng)微生物提供碳源和電子供體，從而誘導(dǎo)化能自養(yǎng)微生物參與碳同化過(guò)程，從而揭示了土壤微生物光能、化能自養(yǎng)固碳的雙重協(xié)同機(jī)制。研究結(jié)果發(fā)表在Applied Microbiology and Biotechnology（Wu & Ge et al., 2014, 98: 2309–2319）。
圖3 土壤微生物固碳功能（同化大氣CO2）及其生物學(xué)機(jī)制技術(shù)框架圖
同時(shí)，通過(guò)克隆文庫(kù)、T-RFLP及定量PCR等分子生物學(xué)技術(shù)，對(duì)土壤固碳微生物群落組成、結(jié)構(gòu)和數(shù)量進(jìn)行了分析，闡釋了稻田土壤微生物固碳的分子生物學(xué)機(jī)理，明確了功能微生物種群結(jié)構(gòu)（圖3）。結(jié)果表明，稻田土壤固碳細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)種群可能是紅假單胞菌、慢生根瘤與勞爾氏菌菌等，而藻類(lèi)則以黃澡和硅藻為主，明確了稻田土壤參與CO2光合同化的功能基因（cbbL）及其豐度（0.04~1.3×108 copies g-1），研究結(jié)果發(fā)表在Applied and Environmental Microbiology（Yuan & Ge et al., 2012, 78: 2328–2336）。同時(shí)，依托稻田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，在田間條件下，稻田土壤也存在相當(dāng)數(shù)量的細(xì)菌cbbL基因拷貝數(shù)及較高的RubisCO酶活性。根據(jù)酶活性估算，年碳同化量在100-450kg/ha之間，這與室內(nèi)14C-CO2連續(xù)標(biāo)記培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)得出的碳同化量相當(dāng)，這為我們估算田間條件下，土壤自養(yǎng)微生物的CO2同化速率提供了可能性，研究結(jié)果發(fā)表在Applied Microbiology and Biotechnology（Yuan & Ge et al., 2012, 95: 1061–1071）和Biology and Fertility of Soils（Yuan & Ge et al., 2013, 49: 609–616），同時(shí)建立了“超聲破碎分離提取”土壤固碳關(guān)鍵酶RubisCO活性的提取方法，創(chuàng)建了基于土壤RubisCO活性測(cè)定的自然土壤微生物碳同化速率的估算方法（碳同化速率=0.16×RubisCO活性–0.001）。研究結(jié)果發(fā)表在Pedobiologia（Wu & Ge et al., 2014, 57: 277–284）。因此，該研究揭示了一個(gè)以往被忽視的土壤有機(jī)碳的重要輸入途徑，同時(shí)改變了土壤微生物在稻田生態(tài)系統(tǒng)中僅擔(dān)負(fù)有機(jī)質(zhì)分解、礦化功能的長(zhǎng)期認(rèn)識(shí)，亦豐富了微生物的基本功能和在碳循環(huán)過(guò)程中的作用。