1月9日，《自然》杂志旗下期刊《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队田静副教授研究论文《全球变暖下保护性耕作土壤有机碳持久性微生物驱动机制》（Microbially mediated mechanisms underlie soil carbon accrual by conservation agriculture under decade-long warming）。该研究基于华北平原长达十余年的长期增温田间试验平台，从时间尺度上揭示了长期变暖和农业管理相互作用对土壤有机碳（SOC）积累和持久性的影响及微生物群落和代谢驱动机制，为土壤固碳、耕地质量提升和碳中和提供理论支撑与长期经验证据。论文接受次日收到Nature集团Nature Portfolio 和Springer Nature Communities 邀请在“Behind the paper”栏目发表分享该论文的研究经历。

土壤固碳对于粮食安全和减缓气候变化具有重要意义。耕作是导致历史上土壤SOC损失的主要因素，平均每年约0.3-1.0 Pg C。利用植物吸收大气中CO2,并将其固定中土壤中，以重建土壤中SOC, 被认为是缓解气候变化并确保粮食安全的关键自然解决方案。目前全球9-15%的耕地已采用保护性农业管理。然而，全球气候变暖容易导致土壤SOC损失，尤其是对SOC含量较高的土壤。这意味着，全球气候变暖可能会威胁管理重建土壤SOC的能力。 过去大量研究发现土壤微生物呼吸是解释增温引起碳损失的重要驱动机制。然而，除了微生物在碳分解中的作用，近来研究开始强调微生物合成过程在SOC形成与持久性中的关键作用。土壤微生物碳利用效率（CUE）描述了碳代谢中用于生长和呼吸的碳的分配，可表征SOC积累和损失之间的双重微生物控制作用。但是有关微生物CUE与SOC形成和持久性之间复杂关系目前还十分有限，尤其是在不同时间尺度上增温和农业管理交互作用如何介导这一作用更是缺乏。

本研究依托包含两种管理措施（保护农业与传统农业）和两种不同增温水平（增温与自然环境）的长达10余年定位试验，发现加热促进了保护性农业下土壤SOC增加，而传统农业中则没有。并且通过分析加热效应发现，随着时间的延长，加热效应引起的保护性农业中SOC增加呈现线性增加，表明是可持续性的。进一步研究发现，保护性农业中加热引起微生物CUE和生长增加。为了进一步评估保护性和传统农业下微生物CUE 对加热持续时间响应方向和幅度，将研究分为早期（2010-2015）和后期（2016-2020），发现微生物CUE和生长随着时间线性增加，并且增温5年后具有更高的效应（图1）。

图1 加热和农业管理对微生物CUE, 生长和残体的时间影响

基于对细菌和真菌群落的时间-衰变关系分析发现，变暖加速了保护性农业下真菌群落的时间周转，进而增加了微生物残体对SOC的贡献，尤其是真菌残体贡献从28%提高到53%。通过进一步的驱动因子分析发现，保护性农业加热处理促进了地上和地下作物的生长(根系生物量和根系分泌物)。因此，作物碳输入的增加加速了真菌群落周转和演替，提高了微生物的生长效率，导致微生物来源碳对SOC形成和累积的贡献在10年尺度上是逐渐增加(图2)。

图2 气候变暖对保护性农业土壤有机碳形成和积累微生物驱动机制模式图

本研究发现农业管理和气候因素相互作用改变微生物群落组成和微生物碳代谢，进而影响农田SOC的形成和积累。研究指出，在未来气候变暖条件下，气候变暖和土壤C损失间的正反馈可能受到农业管理介导，长期保护性农业具有减缓气候变化的潜力。

资环学院田静副教授为论文第一兼共同通讯作者。中国农业大学张福锁院士, 美国科罗拉多州立大学M. Francesca Cotrufo教授和美国俄克拉荷马大学Jizhong Zhou教授为共同通讯作者。中国科学院地理所侯瑞兴副研究员、中科院生态环境中心邓晔研究员、埃克塞特大学Jennifer A. J. Dungait，Iain P. Hartley教授，清华大学杨云峰教授，德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授参与指导了具体工作。该研究工作得到了国家自然科学基金（32071629，32071607）、国家重点研发计划（2022YFD1901300）、北京市高精尖学科以及中国农业大学2115人才发展计划等资助。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-023-44647-4#Ack1