近日，我所科研团队在保护性耕作下土壤有机碳组分差异化分解的微生物机制方面取得新进展。团队基于东北黑土区12年长期保护性耕作定位试验，选取高、低肥力土壤进行微宇宙培养试验，结合生物标识组分、磷脂脂肪酸及胞外酶活性的定期监测，解析了不同碳可利用性下微生物底物利用策略对植物源与微生物源组分分解的调控机制。研究为保护性耕作优化微生物群落、提升土壤有机碳稳定性及东北黑土农田健康培育提供了关键依据。

土壤有机碳的积累与稳定对维持土壤功能和提升农田生态系统碳汇能力至关重要。土壤有机质是由植物源组分（如木质素、中性糖）和微生物源组分（如微生物死亡残体）组成的复杂连续体，不同组分具有差异化的化学结构和周转时间。微生物作为土壤有机质周转的核心驱动者，其底物利用策略如何随碳可利用性变化，进而调控功能性组分的分解与稳定，是土壤碳循环研究的关键科学问题。然而，在长期不同碳投入管理下，不同组分分解过程的微生物机制尚不清晰。该研究以东北黑土区长期（12年）保护性耕作定位试验为平台，选取秸秆覆盖还田（高肥力土壤）和秸秆移除（低肥力土壤）两种处理，通过为期360天的微宇宙培养试验，结合生物标识组分（木质素酚、中性糖、氨基糖）、磷脂脂肪酸及胞外酶活性的定期监测，系统探究了不同碳可利用性条件下，微生物群落与胞外酶活性如何调控植物源与微生物源组分的差异化分解。

结果表明，植物源组分是土壤有机碳矿化的主要贡献者。培养期内，木质素酚和中性糖的降低比例分别为20.8%—26.3%和26.7%—35.1%，显著高于土壤有机碳（12.3%—14.5%）和氨基糖。微生物残体（氨基糖）降低比例最低，且在高肥力土壤中的降低比例（10.6%）显著低于低肥力土壤（12.3%），体现了微生物残体对土壤有机碳稳定的贡献，尤其在高肥力土壤中作用更为显著。进一步分析发现，土壤碳可利用性显著影响中性糖和木质素的分解模式。在高肥力土壤中，中性糖的分解速率（35.1%）显著高于木质素（20.8%），呈现出“顺序分解”模式，表明微生物优先利用易分解的碳水化合物，体现了碳丰富环境下微生物的“节能”代谢策略。相反，在低肥力土壤中，木质素与中性糖的分解程度（26.3% vs. 26.7%）及动态高度相似，揭示了微生物在碳饥饿条件下采取的“共代谢”策略，即通过消耗易分解碳来获取能量，从而驱动具有较高化学稳定性的木质素分解。微生物群落演替是驱动上述差异化分解模式的核心因素。高肥力土壤中，培养初期细菌占优且氧化酶/水解酶比值较低，有利于快速利用中性糖；随后真菌占比提升（真菌/细菌比值提升14.5%），主导了后期木质素的降解。低肥力土壤中，放线菌作为“广谱性”微生物相对丰度较高并随时间持续增加，结构方程模型进一步证实，放线菌同时正向调控水解酶与氧化酶活性，直接介导了木质素与碳水化合物的共代谢。

综上，该研究揭示了土壤有机碳稳定并非由组分的化学顽固性单一决定，而是由微生物适应性底物利用策略所调控。在碳可利用性较高的生境下，微生物采取“挑食节能”策略，依次利用易分解的碳水化合物和抗分解的木质素；在碳饥饿环境下，微生物则采取“共代谢”策略，通过易分解底物与难分解底物的协同利用维持生存。研究结果为理解保护性耕作如何通过增加碳输入来优化微生物群落结构、提升土壤有机碳稳定性提供了关键证据，对东北黑土及农田生态系统的健康培育和可持续管理具有重要理论指导意义。

研究成果以Distinct decomposition dynamics of heterogeneous carbon components in cultivated agricultural soils controlled by flexible microbial substrate utilization strategy为题于2026年9月发表在Journal of Integrative Agriculture期刊上。中国科学院沈阳应用生态研究所博士研究生王婉琦和副研究员朱雪峰为共同第一作者，何红波研究员为通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、新疆维吾尔自治区重点研发计划项目、新疆维吾尔自治区天山英才计划、中国科学院沈阳应用生态研究所优秀青年科学家计划和沈阳市自然科学基金的资助。

土壤碳可利用性与灵活的微生物策略之间的相互作用如何通过对不同组分的差异化分解

调控土壤有机质的周转与稳定性

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095311925003946