中国科学院东北地理所王光华团队STOTEN：大豆根际碳-磷循环对气候变化的响应

在全球气候变化过程中，大气CO ₂ 浓度和温度不断升高，改变了农业生态系统的生产力。土壤有机质富含大量的有机磷，土壤有机碳的矿化对磷素循环具有重要影响。因此，大气CO ₂ 浓度和温度升高改变光合碳向土壤中的输送，刺激土壤微生物活性，加速土壤有机碳（SOC）的分解，可能释放更多的磷（P）进入土壤土壤溶液。本研究利用 ¹³ C示踪技术模拟气候变化下作物光合碳向地下输送过程，以及其对土壤有机磷矿化的影响。今天，就让我们一起来看一看气候变化是如何影响土壤碳—磷循环的耦合过程吧。

在大豆 ¹³ C标记期间，利用NaOH溶液吸收土壤释放出的CO ₂ ，每24 h收集一次，并更换NaOH溶液，连续收集15 d。将收集后的NaOH溶液用来测定土壤 ¹³ CO ₂ 释放量。结果显示，升高CO ₂ 浓度、升高温度以及CO ₂ 浓度和温度同时升高均增加了土壤激发碳，增加幅度分别为24%、22%和43%。

图1  大气CO ₂ 浓度和温度升高对大豆根际土壤碳激发的影响

误差线代表标准误差（SE，n=3）；相同字母代表处理间在0.05水平上不显著（ P < 0.05）

Fig. 1  Effect of eCO ₂ and warming on priming effects (Primed soil C) of in rhizosphere of soybean. Error bars represent standard errors of means of three replicates. Values with the same letter are not significantly different ( P ≥ 0.05)

气候变化对根际磷组分产生了显著的影响（图2）。对于有机磷库，增温和CO ₂ 浓度和温度同时升高分别导致NaHCO ₃ -Po减少19%和33%，说明大气CO ₂ 浓度和温度升高对NaHCO ₃ 浸提有机磷库产生了交互作用。然而，与NaHCO ₃ -Po含量相反，大气CO ₂ 浓度和温度同时升高显著增加NaOH-Po含量25%。对于无机磷库，CO ₂ 浓度升高和温度同时升高使根际NaHCO ₃ -Pi和HCl-P浓度分别降低了8%和12%。此外，通过相关性分析表明，NaHCO ₃ -Po与微生物碳（MBC）(R ² =0.673，图3C)、土壤碳 (R ² =0.578，图3B)和植物碳 (R ² =0.310，图3A)呈负相关。而NaOH-Po与MBC呈正相关(R ² =0.752，图3D)。

图2 大气CO ₂ 浓度和温度升高对大豆根际磷组分的影响

Fig. 2 Effect of eCO2 and warming on the P fraction in the rhizosphere of soybean

图3 大气CO ₂ 浓度和温度升高条件下大豆根际NaHCO ₃ -Po与植物碳（A）、土壤碳（B）、微生物量C（C）以及NaOH-Po与微生物量C（D）的关系

Fig. 3 Effect of eCO ₂ and warming on the P fraction in the rhizosphere of soybean

气候变化对大豆根际磷酸酶活性和MBC均产生了显著影响（图4）。与对照相比，大气CO ₂ 浓度升高使酸性磷酸酶活性增加了19%，而且当温度同时升高时，酸性磷酸酶活性增加了50%（图4）。此外，单独CO ₂ 浓度升高对MBC未产生显著影响，但是温度升高以及CO ₂ 浓度和温度同时升高使MBC分别增加46%和88%，说明大气CO ₂ 浓度和温度升高对MBC产生了交互影响。

图4 大气CO ₂ 浓度和温度升高对大豆根际磷酸酶和土壤微生物量碳的影响

Fig. 4Effect of eCO ₂ and warming on acid phosphatase activity and microbial biomass C in the rhizosphere of soybean

大气CO ₂ 浓度和温度升高对大豆根际C、N、P和S功能基因丰度具有不同的影响（图5）。与对照相比，大气CO ₂ 浓度升高增加了C降解基因 abfA 和 ManB 拷贝数，但是增温显著降低了 abfA 和 ManB 基因拷贝数（图5）。此外，与对照相比，大气CO ₂ 浓度升高显著增加了磷转化 gcd 、 phoC 和 phnK 基因拷贝数。大气CO ₂ 浓度升高对编码N循环的功能基因没有产生显著影响，但是增温以及CO ₂ 浓度和温度同时升高均使 ureC 、 nirS1 和 gdhA 基因丰度显著下降。然而，编码S循环功能基因丰度 yedZ 和 darA 在大气CO ₂ 浓度升高条件下显著增加。

图5 大气CO ₂ 浓度和温度升高对大豆根际C降解功能基因（ abfA 、 lig 和 ManB ），P循环功能基因（ gcd 、 phoD 、 phoC 、 pstS 、 qppC 、 phnX 和 phnK ），N循功能基因（ nosZ1 、 ureC 、 narG 、 nirS1 和 gdhA ）和S循环功能基（ yedz 和 darA ）的影响

Fig. 5 The effect of eCO ₂ and warming on functional genes abundance of C degradation ( abfA , lig and ManB ), P cycling ( gcd , phoD , phoC , pstS , qppC , phnK and phnX ), N cycling ( nosZ1 , ureC , narG , nirS1 and gdhA ) and S cycling ( yedz and darA ) in the rhizosphere of soybean 

大气CO ₂ 浓度和温度升高促进更多的光合碳向地下部输入，对土壤有机质降解和有机磷矿化产生了正激发效应，表明在气候变化条件下微生物分解有机C和有机P的能力较强。而且，在气候变化条件下，根际碳降解和磷转化相关功能微生物的基因丰度的协同变化进一步证明了这种正激发效应与土壤有机磷矿化相关联。本研究为气候变化条件下CO ₂ 浓度能够通过植物碳流来影响土壤功能微生物，进而促进土壤碳磷循环过程提供了理论支持和数据支撑。