外源活性碳輸入引起的土壤碳礦化激發效應，是影響全球土壤碳平衡的重要過程，其對土壤有機質（SOM）礦化的影響強度，甚至超過溫度等環境因子。一般認為，激發效應的產生，是由于外源碳輸入導致土壤微生物C-N計量學上的不平衡，驅使微生物加快分解SOM以獲取更多的N——這稱為“N-mining”假說。然而，激發效應可能隨土壤活性碳輸入量的增加而改變其強度甚至方向（即由正激發變為負激發效應）；在不同碳輸入量下，激發效應的機制是否都可用“N-mining”假說加以解釋，至今尚難定論。
為此，中國科學院亞熱帶農業生態研究所吳金水團隊通過向淹水水稻土添加不同量的13C標記葡萄糖，連續觀測了60d培養期內的SOM激發效應動態，并結合13C-PLFA技術，分析了不同類群微生物的碳源利用情況，探討了在不同葡萄糖輸入量下激發效應機制（微生物N獲取策略）的變化。結果表明：SOM礦化的激發效應隨著葡萄糖輸入量的增加，呈單峰曲線的變化形式（圖1），在葡萄糖輸入量相當于50-300%微生物量碳（MBC）時達到最大；此后，激發效應反而下降，甚至變為負激發效應（即抑制土壤碳礦化）。隨葡萄糖輸入量的增加，土壤無機N含量急劇下降，同時，與氮獲取有關的土壤胞外酶活性也明顯上升，顯示微生物的氮缺乏隨碳輸入量而上升。據此，可以用“N-mining”假說解釋在低—中等碳輸入下的激發效應，即當活性碳添加低于50-300% MBC時，微生物可以通過加速SOM的分解獲取足夠N素。然而，這一假說不能解釋極高碳輸入量（300-500% MBC）為何抑制SOM礦化，因在此情況下，土壤N水解酶活性的增強并未伴隨SOM礦化速率的上升。為此，本研究提出，在活性碳輸入量過高的情況下，土壤微生物無法通過單純加快SOM（較難利用）分解而迅速獲得足夠的N素，轉而通過死微生物量（Necromass）的再利用而解決嚴重的N匱乏（圖2）。確實，該研究發現：（1）在培養的中后期，在300-500% MBC碳添加量下出現數個CO2、CH4排放的“異常峰”，不遵循一般培養中碳礦化的指數衰減動態，此類峰的13C含量約90%，很可能來自Necromass的分解；（2）Necromass在土壤中的累積量隨葡萄糖添加量而上升；（3）13C-PLFA數據顯示，部分微生物類群在培養前期迅速吸收利用了13C-葡萄糖，而在培養后期其13C含量大幅下降；與之相反，另一些微生物類群在培養初期利用13C很少，反而在培養后期顯著增加了13C的利用，表明一部分微生物回收利用了另一部分微生物的Necromass。這一Necromass回收利用過程的提出，是對土壤SOM礦化激發效應機制的重要補充。
該項研究近期以Carbon and nitrogen recycling from microbial necromass to cope with C:N stoichiometric imbalance by priming 為題發表在土壤學期刊Soil Biology and Biochemistry上。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、湖南省自然科學基金、中科院亞熱帶生態所青年創新團隊項目等資助。
圖1 土壤活性碳輸入量與SOM激發效應的關系
圖2 不同活性碳輸入量情況下土壤微生物的N獲取策略變化
