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联合国政府间气候变化委员会(IPCC)第6次气候变化评估报告指出，气候变化正在以前所未有的速度影响着陆地生态系统变化，并可能对全球社会可持续发展带来巨大风险，而农业已经被纳入气候变化响应和应对的全球战略。气候变化如何长期影响农田生态过程及生态系统生产力，一直是全球学界努力探索的一大科学问题。这需要深入了解气候变化如何影响土壤-植物-微生物过程，后者又如何反馈到植物生产力和温室气体交换。农业资源与生态环境研究所通过承担国家公益性行业科研专项项目“气候变化对中国农业生产的影响及其应对”，在江苏常熟建设和运行稻田气候变化野外开放性试验平台，模拟植物冠层CO2浓度升高和空气温度升温，试验观察稻麦轮作下农田生态系统过程，也已在New Phytologist、Soil Biology & Biochemistry、Agriculture, Ecosystem and Environment等权威杂志发表了土壤养分、土壤微生物和农产品产量及品质等变化特征的研究论文。但是，对于气候变化如何影响土壤有机质及其土壤生物过程变化还所知甚少。 最近，土壤学科土壤有机质研究团队在常熟站6年气候变化处理平台运行基础上，采用模拟根箱法监测气候变化处理下水稻根系生长及根系分泌物产出，并收集气候变化处理下水稻根际土壤样品，采用液质联用仪(LC/MS)分析根系分泌物组成和采用热解-气质联用仪法(Pyrolysis-GC/MS)分析土壤有机质分子组成，并运用腐殖质组学分组法鉴别不同功能键合有机物的存在和去向，并结合磷脂肪酸法分析相应土壤中土壤活性微生物群落构成。结果表明，与自然环境空气相比，空气CO2浓度升高处理促进了根系分泌物产出，但没有改变其化学组成；相反，冠层空气升温处理没有改变根系分泌物产出，但显著改变了分泌物的化学组成，即酚类化合物相对丰度降低了26%而氨基酸的相对丰度提高了53%。不过，升温和CO2浓度升高交互处理既没有改变根系分泌物产出，也不改变其化学组成。然而，土壤的有机质分析表明，与自然环境空气处理相比，CO2浓度升高处理的根际土壤有机质中，含氮杂环化合物、酚羟基酸酚类化合物相对丰度分别增加35%，65%和26%，而相应土壤微生物PLFA中细菌/真菌比显著升高，这说明CO2浓度升高处理导致土壤中细菌活跃组分生物量增加和根系分泌物供应增多，他们比真菌更“强势”地利用了根系分泌物碳源，留下了更多的苯环化合物在土壤有机质中。然而，在冠层升温处理下的根际土壤有机质中，某些强疏水有机组分（脂肪酸、酚酸和部分酚类），一般认为是较稳定有机组分，总体减少了26%，且土壤微生物PLFA中细菌/真菌比显著降低，可能由于根系分泌物中酚类化合物供应减少，刺激真菌对这些化合物的分解利用。可能是由于CO2浓度升高效应和升温效应抵消作用，两者交互处理下土壤有机质分子变化甚微（附图）。 附图 气候变化处理影响土壤有机质和微生物区系变化的过程联系 上述发现与CO2浓度升高促进土壤固碳而升温加快土壤有机质分解的一般认识相呼应，也与该团队先前发表的CO2浓度升高促进稻田生物量生产而升温处理削弱稻田生物量生产的认识相呼应。这一研究将根系分泌物-土壤有机质-土壤微生物群落研究相结合，揭示了气候变化通过根系分泌物这个“启动子”影响地下部生态系统过程，改变土壤微生物群落的适应性竞争；首次从分子有机质角度探索了气候变化下稻田生产力-土壤有机质-土壤微生物的变化过程的联系，也是土壤有机质分子研究服务于气候变化重大议题的首次尝试。分子土壤有机质研究是土壤学科的发展方向，可能在探索土壤过程与生态系统变化中显示巨大生命力。 该研究成果以 “Molecular changes of soil organic matter induced by root exudates in a rice paddy under CO2 enrichment and warming of canopy air” 为题在线发表在 Soil Biology and Biochemistry 期刊（DOI: 10.1016/j.soilbio.2019.107544） 论文的第一作者是该团队2016级博士毕业生熊丽同学，通讯作者为全职引进的土壤有机质团队骨干Marios Drosos副教授和李恋卿教授。该研究是国际合作研究成果，合作者为全球土壤有机质顶尖专家—意大利Naples Federico II大学的Alessandro Piccolo教授。该研究得到了国家自然科学基金、校引进人才专项资金的资助和双一流学科建设经费的支持。   文章链接： https://www./science/article/pii/S0038071719302081 |
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