土壤碳的周轉(zhuǎn)與截獲機(jī)制是碳生物地球化學(xué)循環(huán)過程研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。土壤碳匯功能的提升是提高糧食安全、改善水質(zhì)、維持生物多樣性、保育土地健康等問題的關(guān)鍵，也是積極響應(yīng)我國黑土地保護(hù)工程與國際“碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略、應(yīng)對(duì)全球氣候危機(jī)的必由之路。土壤有機(jī)碳（SOC）在陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤里主要以有機(jī)質(zhì)（SOM）的形式存在。伴隨著科技新手段的應(yīng)用以及理論的發(fā)展，學(xué)術(shù)界對(duì)于SOM形成和穩(wěn)定的認(rèn)知已從傳統(tǒng)的腐殖質(zhì)觀點(diǎn)轉(zhuǎn)為更加關(guān)注土壤微生物的代謝調(diào)控，對(duì)于土壤微生物直接貢獻(xiàn)SOM形成及其碳庫的重要作用也逐漸達(dá)成了共識(shí)。
2017年，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所生態(tài)系統(tǒng)微生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在國際上首次提出了“土壤微生物碳泵”（soil Microbial Carbon Pump，簡(jiǎn)稱sMCP）概念，該理論聚焦了土壤微生物體內(nèi)同化過程及其死亡殘留物對(duì)土壤碳庫的貢獻(xiàn)，并以sMCP概念為核心，闡明了土壤微生物對(duì)土壤碳截獲的調(diào)控機(jī)理，形成了包含“sMCP概念”、“土壤微生物雙重代謝途徑”和“續(xù)埋效應(yīng)”三方面為核心內(nèi)容的全新土壤碳固存理論體系，為土壤碳的生物地球化學(xué)循環(huán)研究提供了新的思考模式。相關(guān)內(nèi)容以The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage為題，發(fā)表在了Nature Microbiology雜志的Perspective專欄。后續(xù)該研究團(tuán)隊(duì)圍繞sMCP概念體系開展了一系列理論探索（圖1）和實(shí)驗(yàn)研究（表1）。
圖1 土壤微生物碳泵概念體系理論研究系列進(jìn)展示意圖
2019年，該研究團(tuán)隊(duì)成員以sMCP概念為理論指導(dǎo)，集成了模型模擬、碳氮化學(xué)計(jì)量關(guān)系和生物標(biāo)識(shí)物比例換算方法，對(duì)土壤微生物殘?bào)w估算策略進(jìn)行深層次探討，首次較全面地綜合量化了微生物對(duì)SOM庫貢獻(xiàn)的數(shù)值范圍，并對(duì)估算中存在的相關(guān)問題進(jìn)行了系統(tǒng)性思辨和歸類。其中，通過對(duì)溫帶陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物殘?bào)w的量化估算，報(bào)道了在溫帶農(nóng)田、草地和森林的表層土壤中，微生物死亡殘?bào)w碳在SOC庫里的占比顯著，微生物死亡殘?bào)w對(duì)農(nóng)田和草地的表土SOC貢獻(xiàn)的均值超過了50%，相關(guān)內(nèi)容以Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter為題，發(fā)表在了Global Change Biology雜志的Opinion專欄。
2020年，該團(tuán)隊(duì)研究人員通過對(duì)能源作物種植系統(tǒng)下土壤微生物殘?bào)w與SOC對(duì)土地利用方式異步響應(yīng)規(guī)律的分析，提出了有助于評(píng)價(jià)sMCP功能的參數(shù)（能力與能效）以及野外原位sMCP的評(píng)價(jià)策略，相關(guān)內(nèi)容以O(shè)pinion形式發(fā)表在Global Change Biology雜志，題目為The soil microbial carbon pump: from conceptual insights to empirical assessments。此外，該團(tuán)隊(duì)的研究人員又以Soil microbial carbon pump: Mechanism and appraisal為題，詳細(xì)解讀了sMCP介導(dǎo)的碳截獲過程的機(jī)理細(xì)節(jié)與影響因子，并對(duì)評(píng)價(jià)sMCP的標(biāo)識(shí)物方法及不足給予了探討，相關(guān)內(nèi)容以Review形式發(fā)表在Soil Ecology Letters雜志。同年，該團(tuán)隊(duì)成員還為Soil Biology and Biochemistry雜志撰寫了Editorial：Microbial necromass on the rise: the growing focus on its role in soil organic matter development，對(duì)土壤微生物介導(dǎo)土壤碳庫形成和穩(wěn)定的研究進(jìn)展做以歸納和簡(jiǎn)述，并對(duì)現(xiàn)有的研究挑戰(zhàn)以及未來的研究方向給予了闡述和展望，為新時(shí)期的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究以及全球氣候變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)對(duì)策略提供了參考。
2021年，該團(tuán)隊(duì)研究人員首次為國內(nèi)同行詳述了sMCP概念內(nèi)涵、影響因素與應(yīng)用前景，不僅將近些年微生物源碳研究進(jìn)行了梳理和串聯(lián)，同時(shí)有力夯實(shí)了以土壤微生物源碳為核心的sMCP理論體系，為推動(dòng)sMCP概念體系在我國土壤碳匯功能提升中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與借鑒，相關(guān)內(nèi)容以綜述形式發(fā)表在中國科學(xué)：地球科學(xué)雜志，題目為土壤微生物碳泵儲(chǔ)碳機(jī)制概論。
以sMCP的概念體系為研究主線，基于其儲(chǔ)碳機(jī)制的理論指導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)的研究人員近幾年結(jié)合農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng)探究了土壤微生物群落對(duì)SOM固存的主動(dòng)調(diào)控機(jī)制，通過對(duì)土壤微生物群落、死亡殘留物以及SOC等指標(biāo)的測(cè)定及對(duì)指標(biāo)間關(guān)系的探索，揭示了農(nóng)田保護(hù)性耕作和森林演替過程里土壤微生物與SOC間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，為土壤微生物介導(dǎo)的SOC形成和穩(wěn)定過程以及sMCP理論體系提供了諸多第一手野外試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，相關(guān)文章分別發(fā)表在Soil Biology and Biochemistry雜志、Global Change Biology Bioenergy雜志以及European Journal of Soil Biology雜志。
表1 基于實(shí)驗(yàn)的代表性研究進(jìn)展
文章列表
理論方面研究
1.Liang et al. 2017. The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage. Nature Microbiology. 2:17105. https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2017105
2.Liang et al. 2019. Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter. Global Change Biology. 25:3578-3590. https://doi.org/10.1111/gcb.14781
3.Zhu et al. 2020. The soil microbial carbon pump: From conceptual insights to empirical assessments. Global Change Biology. 26: 6032-6039. https://doi.org/10.1111/gcb.15319
4.Liang, C. 2020. Soil microbial carbon pump: Mechanism and appraisal. Soil Ecology Letters. 2:241-254. https://doi.org/10.1007/s42832-020-0052-4
5.Liang et al. 2020. Microbial necromass on the rise: the growing focus on its role in soil organic matter development. Soil Biology and Biochemistry. 150:108006. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108000
6.梁超, 朱雪峰. 2021. 土壤微生物碳泵儲(chǔ)碳機(jī)制概論. 中國科學(xué):地球科學(xué), 51. https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSTe/doi/10.1360/SSTe-2020-0213?slug=fulltext
代表實(shí)驗(yàn)性研究
7.Zhu et al. 2018. The impacts of four potential bioenergy crops on soil carbon dynamics as shown by biomarker analyses and DRIFT spectroscopy. GCB Bioenergy. 10:489-500. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcbb.12520
8.Shao et al. 2018. Secondary successional forests undergo tightly-coupled changes in soil microbial community structure and soil organic matter. Soil Biology and Biochemistry. 128:56-65. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.10.004
9.Shao et al. 2019. Reforestation accelerates soil organic carbon accumulation: Evidence from microbial biomarkers. Soil Biology and Biochemistry. 2019. 131:182-190. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.01.012
10.Zhu et al. 2020. Microbial trade-off in soil organic carbon storage in a no-till continuous corn agroecosystem. European Journal of Soil Biology. 96:103146. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2019.103146
11.Shao et al. 2021. Tradeoffs among microbial life history strategies influence the fate of microbial residues in subtropical forest soils. Soil Biology and Biochemistry. 153:108112. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108112
12.Zheng et al. 2021. Turnover of gram-negative bacterial biomass-derived carbon through the microbial food web of an agricultural soil. Soil Biology and Biochemistry. 152:108070. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108070
