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根系分泌物对土壤中碳的保护作用

      植物通过脱落的根系细胞、组织、粘液和各种渗出的有机化合物将40-60%的光合固定碳(C)直接输送到根部和相关微生物中。大气中二氧化碳浓度的升高预计会增加根分泌物的数量,并改变根分泌物释放到土壤中的成分。然而目前研究人员似乎不太清楚改变输入会在多大程度上导致原生(或“旧的”)有机碳的净损失。需要更好地理解土壤中碳损失的潜在机制(图1所示),这对于预测大型土壤碳储量如何应对全球变化做出反应至关重要。


  图1、根际土壤碳(“启动物”)的微生物矿化加速机制

             根系分泌物引起的土壤碳流失通常归因于“启动效应”,例如微生物矿化的短期增加由于向土壤中输入新鲜的碳,土壤中的碳含量增加了。尽管“启动效应”的过程受到了极大的关注近年来在生态科学方面,人们对潜在机制的了解是有限的。通常认为生物可利用的渗出物化合物诱导更大的微生物活性以及酶的产生,因为它们是“共同代谢产物”。共同代谢产物被定义为非生长物质的矿化底物(例如某些形式的原生土壤有机碳)。微生物在生物可利用的碳和能量上生长(例如,根系分泌物)。这一机制常被用来提高分解体对原生土壤C矿化的生理潜力。然而直接的实验证据支持这一机制的研究很少,因为大多数研究都有旨在识别“启动效应”,而不是潜在的机制。

         因此来自美国俄亥俄州的研究人员测试了根际碳矿化的加速(即启动效应)是否是由渗出物从保护性的矿物-有机结合中释放碳的能力所促进的(Nature climate change, 2015, 5, 588-595),应用了克拉克型氧气微传感器(OX-100, Unisense)测量根际附近的O2浓度分布(图2所示)。从而增加微生物的可及性。在一个良好的控制系统中,研究了两种最丰富的根系分泌物类别有机酸和单糖的影响。草酸是一种由根、根相关的真菌和细菌产生的有机酸,通常在根际孔隙水中丰富的化合物中发现。草酸具有较强的金属络合能力,但对微生物的生物能利用有限。与此相反,我们期望生物能量更有利的糖,如葡萄糖,能作为一种代谢物,并刺激原生土壤C的微生物矿化。第三种常见的渗出物乙酸被认为是一种中间反应物,因为它比葡萄糖更不易代谢,比草酸的络合能力更低。

图2、根系分泌物对人工根际土壤的影响

     研究人员发现一种常见的根分泌物草酸会促进使有机化合物从与矿物的保护性联系中释放出来而造成的碳损失。通过加强微生物对以前的矿物保护化合物,这种间接机制会加速碳损失,不仅仅是简单地增加提供更有利的基材。此研究结果为“启动”现象背后的生物-非生物耦合机制提供了一些见解,并挑战了关于矿物质相关的碳是受微生物保护的假设机制。

       

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