微生物残体碳（MNC）是草地土壤有机碳（SOC）的重要组成部分，对草地SOC的贡献可高达60%，因此备受关注。一直以来，土壤中的微生物被认为是MNC的主要来源。然而，超过80%的草地植物根系被内源微生物，尤其是丛枝菌根真菌（AMF）定殖。AMF残体可附着在根系表面或者沉积在根系内部，并随根系死亡后进入土壤，成为SOC的一部分。但是，目前有关AMF残体（下文统称“根源MNC”）对草地SOC贡献的研究相对匮乏，且对其进入土壤后的降解和保存也知之甚少。
基于此，中国科学院植物研究所冯晓娟团队首先在内蒙古3种典型草地类型（即草甸草原、典型草原和荒漠草原；图1a）采集了27种优势植物的活根及含多种植物的混合根（包含活根和死根），测定了根系中的氨基糖（指征MNC）含量，以及活根中的磷脂脂肪酸（指征AMF生物量）和AMF侵染率，量化了内蒙温带草地根源MNC与AMF生物量的关系，及其对SOC的贡献。然后，利用持续2年的微宇宙模式土壤培养实验，评估了根源MNC的降解和保存潜力。
图1.内蒙古草地采样点位置以及活根中氨基糖含量、AMF生物量和侵染率
研究发现，内蒙古草地混合根系中氨基糖含量为2.3−38.5 mg g−1 OCroot，假设根源MNC不发生降解，全部进入土壤，则其对SOC的贡献约2.9± 0.5%（图2a-b），占表层（0−10 cm）土壤MNC的10%，表明根源MNC（主要源于AMF）是草地土壤MNC库的重要来源。有趣的是，我们发现根源MNC的累积与AMF生物量无关，主要由根（和AMF）的周转调控，体现在以下两个方面。首先，与双子叶植物相比，单子叶植物的根系氨基糖含量较高，但AMF侵染率较低，AMF生物量无差异（图1b-d），因此单子叶植物较高的根系氨基糖含量可能与其根系直径小、周转快有关。其次，通过线性相关和逐步回归分析发现，年均降雨量（MAP）与根源氨基糖含量及其对SOC贡献显著负相关，并且是二者的主要环境影响因素（图2c-e），这与干旱草地中根系周转较快有关，也是本研究中荒漠草原根源MNC含量及其对SOC的贡献最高的原因。考虑到内蒙古草地活根的平均周转时间（~150天）较短，根源MNC对SOC的贡献在十年或百年时间尺度上可能更大。
图2.内蒙古混合根系（包含活根和死根）中氨基糖含量，根源MNC对SOC贡献及其主要环境影响因素
为了研究根源MNC进入土壤后的降解和保存潜力，我们利用最优温湿度条件（~22℃；60%WHC）对模式土壤中的混合根进行了为期24个月的降解实验（图3a）。为了研究土壤中MNC的原位生成情况，我们同时对不含有氨基糖的植物（Cleistogenes squarrosa）叶凋落物进行降解培养。我们研究发现经过2年的降解，43‒75%的根系氨基糖仍稳定保存在土壤中（图3）。这意味着根源MNC不易降解，较为稳定。
图3.微宇宙培养实验照片以及模式土壤中有机碳、氨基糖、植物源脂类含量变化
综上，本研究强调了根源MNC是草地MNC的重要来源。然而，由于根源MNC对草地SOC的贡献受到MAP、土壤养分状况以及根系周转的影响，因此，为了精准评估全球尺度上根源MNC对草地SOC的贡献，需要在其它草地生态系统开展更多的采样和分析。
该研究成果以“Root-borne microbial necromass — an overlooked source of grassland soil organic carbon”为题近日在线发表于Geophysical Research Letters。植物所博士张欣影（已毕业，现就职于福建师范大学）为论文第一作者，冯晓娟研究员和戴国华副研究员为共同通讯作者。研究生翟国庆、易文星（已毕业）和马立晓，植物所黄振英研究员和叶学华副研究员，内蒙古大学马文红教授和王永慧副教授以及内蒙古自治区农牧业科学院张璞进副研究员均在该研究中做出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金项目的资助。
论文列表：Zhang, X., Dai, G.*, Zhai, G., Yi, W., Ma, L., Huang, Z., Ye, X., Ma, W., Wang, Y., Zhang P., Feng, X.* (2024). Root‐borne microbial necromass—An overlooked source of grassland soil organic carbon. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL110908. https://doi.org/10.1029/ 2024GL110908
