根系性状与菌根真菌介导的碳循环调控:南京农大胡水金教授团队解析活性氮输入与增温对土壤有机碳的影响机制

文献信息

研究背景

材料与方法

结果与分析

1.Nr 输入与增温对植物生物量及细根周转的差异化调控

      Nr 输入对草原植物地上生长表现出显著促进作用，使地上净初级生产力年均增加 19.9 g C m⁻² yr⁻¹，同时驱动植物群落优势类群发生明显转变，由原本的莎草科为主转变为大针茅等禾本科占优，2021 年禾草与杂草的生物量比值较对照提升了 290%。而地下根系对 Nr 输入和增温的响应呈现截然相反的趋势，Nr 输入使根系生物量显著降低 26.1%，增温则使其提升 22.7%，且二者在地下生物量上未表现出显著的交互效应。细根生产量在各处理间无明显差异，但其周转率受两种处理的调控作用显著且效应相反：Nr 输入显著提高细根周转率，增幅达 54.6%，增温则使细根周转率降低 30.8%，这一结果反映出 Nr 输入会加速细根的更新换代，而增温则会让细根的周转速率放缓，是植物对不同环境因子的适应性表现。

图 1：Nr 输入与增温对植物生物量及细根周转的影响

2.Nr 输入与增温驱动根系性状演变并改变根 - AMF 互作格局

     基于三年监测数据的重复测量方差分析显示，Nr 输入与增温对根系功能性状无显著交互作用，但年份间的变异特征显著。Nr 输入下，植物根系的氮浓度、比根长、比根表面积均显著提升，增幅分别为 22.0%、17.4%、20.8%，同时根碳氮比、根组织密度则显著降低，降幅为 18.5%、16.0%；增温的作用效果则不同，显著降低了比根长和比根表面积，同时使根直径增加 17.0%，这表明 Nr 输入推动植物构建细长、低密度的根系，增温则促使植物形成粗短的根系形态，是植物碳分配策略对不同环境胁迫的适应性调整。在 AMF 丰度方面，Nr 输入对根系 AMF 侵染率和土壤菌丝生物量均表现出显著的抑制效应，增温则仅显著降低土壤菌丝生物量，对 AMF 侵染率无明显影响。相关性分析发现，根氮浓度与根组织密度呈显著负相关，体现了根经济学谱中 “快 - 慢” 权衡的保守性梯度；AMF 侵染率与比根长、比根表面积负相关，与根直径、根组织密度正相关，反映出植物养分获取从 “自主构建根系” 到 “外包菌根真菌” 的协作性梯度。主成分分析进一步显示，前两个主成分可解释 72.1% 的总变异，第一主成分主要反映根系构建成本与养分投资策略的差异，第二主成分则刻画了根系 - AMF 协作策略的梯度变化，清晰揭示了根系性状与 AMF 丰度之间的内在关联规律。

小结

      本研究依托半干旱草原长期 Nr 输入与增温定位试验，结合同位素示踪、高通量测序、土壤化学分析等多种技术，系统解析了根系性状与 AMF 介导 Nr 输入和增温影响土壤有机碳的内在机制，明确了二者是调控土壤有机碳响应全球变化的关键枢纽。Nr 输入通过驱动植物群落向禾本科优势转变，诱导植物形成高比根长、低根组织密度的根系性状，加速细根周转，同时降低 AMF 侵染率与球囊霉科丰度，提高土壤氮磷比，推动 AMF 群落向类球囊霉科、巨孢囊霉科等菌丝更细长的类群演替；上述一系列变化共同削弱了根系与 AMF 对土壤团聚体的胶结作用，减少了钙结合有机碳、微生物残体碳等稳定态有机碳的形成，同时通过增加活性碳底物供应刺激腐生微生物的分解作用，最终降低了土壤有机碳的稳定性与碳固持潜力。增温则主要通过降低土壤含水量，加剧半干旱草原的水分胁迫，抑制 AMF 菌丝生长与功能发挥，减少根系与 AMF 来源碳的土壤输入，同时降低微生物残体碳的积累，进而削弱土壤有机碳的固持能力。Nr 输入与增温虽通过不同途径影响土壤有机碳循环，但均通过诱导根系性状与 AMF 群落的多维权衡，改变了土壤有机碳的输入、稳定与分解过程。本研究证实了根系 - AMF 的相互作用在土壤有机碳循环中的核心调控作用，其介导的根经济学谱保守性梯度与协作性梯度，应被纳入陆地生态系统碳循环模型，这将为提升未来气候变化背景下土壤有机碳动态及气候 - 碳反馈的预测准确性提供重要理论支撑，也为半干旱草原生态系统的碳汇功能提升与全球变化适应管理提供科学依据。

项目简介

第一作者简介