土壤微生物以生死迭代过程为驱动力塑造了土壤有机碳（SOC）循环。过去，研究广泛认同微生物残体碳的续埋效应是SOC固存的关键，然而，由于活体碳库容量小、周转速率快且分离定量复杂，其对SOC的贡献常被忽视。同时，受制于缺乏普适性研究手段和碳转换系数，微生物活体碳定量框架尚未建立，这限制了我们理解微生物活体在SOC形成机理、周转机制和稳定性维持中的关键作用。
近日，西北农林科技大学草业与草原学院在《科学通报》发表了以“微生物活体碳对草地土壤有机碳贡献的方法评估”为题的研究论文，评估了三种方法学结合各自碳转换系数对微生物活体碳估算的准确性和适用性。
该研究以内蒙古草原不同植被类型的四种土壤为研究对象，评估了三种分子生物学技术，即Nycodenz密度梯度离心结合流式细胞计数（FCM）、叠氮溴化丙锭（PMA）结合qPCR（PMA-qPCR）和磷脂脂肪酸（PLFA）技术，与各自碳转换系数相结合，对微生物活体碳估算的准确性和普适性，以期建立活体碳的精准测定方法，为开展生态系统碳循环过程研究和完善碳循环模型参数提供科学依据。其中，Nycodenz密度梯度离心是一种分离、纯化活细菌细胞的有效方法，结合FCM法可定量土壤中活细菌细胞数量；PMA核酸染料能渗透受损细胞膜并与DNA共价交联，从而强烈抑制PCR扩增，因此PMA-qPCR法可定量活性基因拷贝数；PLFA是微生物细胞膜的重要成分，细胞死亡后，其在土壤中仅能存留2.8天，因此常被当作微生物活体的生物标志物。理论上，将上述微生物活体表征参数与对应碳转换系数相结合，可以实现对各微生物功能群活体碳库的定量评估。
研究发现PLFA和PMA-qPCR法对细菌、真菌和总微生物活体碳的估算值近似且显著相关（图1），表明这两种方法用于微生物活体碳定量时能够取得较为相似的结果，因此在实验条件（如仪器、经费、时间等）受限情况下，这两种方法是可以相互替代的选择，这一结果也说明上述两种方法的转换系数用于微生物活体碳估算研究时具有可靠性。FCM法对细菌活体碳的估算值与PLFA和PMA-qPCR法呈正相关，但比以上两种方法低1~3个数量级（图1），说明FCM法结合该转换系数的实际应用性仍待进一步提升，我们推测可以通过多次提取的方式提高FCM法对细菌活体碳定量的准确性。此外，我们分析了不同方法学对微生物活体碳定量的相对偏差，以期为未来的Meta分析提供数据校正的依据，扩大活体碳数据源，从而更好地解析微生物活体碳含量、分布格局和驱动因素。我们发现不同方法学对微生物活体碳估算值的相对偏差与SOC、土壤全氮、阳离子交换量和土壤黏粉粒含量呈显著正相关，表明对于土壤有机质含量低和阳离子吸附力弱的土壤样本，不同方法学对微生物活体碳估算的差异更小，相互替代的适用性更强。
图1 微生物活体碳、残体碳及总体碳含量。基于不同方法学结合碳转换系数估算的（a）细菌、（b）真菌和（c）总微生物活体碳含量；利用氨基糖法结合碳转换系数估算的（d）细菌、（e）真菌和（f）总微生物残体碳含量;（g）微生物总体碳含量。图中展示为平均值 ± 标准误（n = 6）。FCM法表示Nycodenz密度梯度离心结合流式细胞计数，PMA-qPCR表示叠氮溴化丙锭结合qPCR，PLFA代表磷脂脂肪酸，AS法表示氨基糖法，MBC代表氯仿熏蒸法测得的微生物生物量碳。不同小写字母代表不同方法学对同一植被类型土壤样品活体碳含量估算值的差异显著（P < 0.05）。*，**和***分别表示P < 0.05, P < 0.01, P < 0.001，ns代表无显著差异
高植物生产力、充足的水分、丰富的养分和良好的土壤质地更有利于微生物活体生长和残体碳累积，同时，残体碳与活体碳之比与植物地上生物量、土壤全氮、土壤全磷、微生物生物量氮、阳离子交换量、土壤质地和细菌K-r生活策略显著相关，表明以上因子可能影响残体碳形成效率以及微生物源碳累积动态。整体而言，微生物残体碳是活体碳的7.28~15.81倍。此外，细菌活体碳是真菌的3.43~4.99倍，细菌残体碳是真菌的0.32~0.38倍，表明更高的活体碳含量并不意味着更多的残体碳累积，也说明细菌的周转率快于真菌，这可能是由于细菌和真菌的生长速率、碳利用效率、碳氮比、残体形成效率、细胞壁化学组成和结构等均存在差异。
相较于残体，微生物活体碳与颗粒有机碳的形成和CO2释放的关系更为显著，这是因为更多的易被微生物分解利用的颗粒有机碳会导致更多的活体碳生成；同时，活体通过不断周转参与SOC循环过程（如自养代谢和异养方式等碳固定过程，呼吸和发酵等碳输出过程）。微生物残体碳与SOC和矿物结合有机碳的累积紧密相关，这是因为活体死亡后，源源不断累积的微生物残体倾向于通过吸附、包裹、聚集、氧化还原和聚合等过程附着于土壤矿物表面，经矿物保护和团聚体的物理隔离，在土壤中趋向稳定化（续埋效应），成为持久性SOC库主要是矿物结合有机碳库的一部分。总之，深入理解微生物活体碳和残体碳动态对于揭示土壤碳固存的微生物机制和准确预测全球变化背景下土壤碳循环的未来趋势具有科学意义。
西北农林科技大学草业与草原学院硕士研究生田晨为该论文第一作者。田建卿副研究员和杨培志教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重大项目(32192464)资助。
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