土壤有機碳絕大部分來自光合碳的輸入與轉化，光合碳通過根系周轉與根系分泌物等進入土壤碳庫。植物殘體和凋落物經過復雜的分解過程后形成土壤有機碳組分，秸稈還田與有機肥施用也是稻田土壤有機碳的重要來源，由于這兩部分的來源較為直接，目前已有較多研究，認識也較清楚。而來源于根系分泌物及其脫落物的根際沉積碳，由于其代謝周轉快，具有復雜性和多變性，盡管已有一些研究，但還不十分清楚這部分碳的命運（圖1）。另外，微生物可以通過多條固碳途徑進行CO2同化，其中，卡爾文循環(huán)是光能自養(yǎng)生物與化能自養(yǎng)生物同化CO2的主要途徑，在調節(jié)大氣CO2濃度發(fā)揮著重要的作用。而且，土壤中也存在相當數量的光能自養(yǎng)生物與化能自養(yǎng)生物。因此，稻田土壤微生物是否也存在其他固碳途徑，其對稻田碳循環(huán)的貢獻如何，更是缺乏系統(tǒng)的認識，處于灰箱狀態(tài)（圖1）。
圖1 稻田土壤有機碳來源
基于此，近幾年來，中科院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所農業(yè)生態(tài)過程方向研究團隊、長沙農業(yè)環(huán)境觀測研究站，在國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、中國科學院、國家外國專家局創(chuàng)新團隊國際合作伙伴計劃等的資助下，整合14C同位素標記技術和微生物分子生態(tài)學技術（克隆文庫、T-RFLP及定量PCR），結合室內培養(yǎng)實驗與稻田長期定位試驗，聚焦于典型稻田生態(tài)系統(tǒng)的生物固碳過程與機制，從水稻光合碳的輸入、轉化（圖2）及其土壤微生物固碳功能及其生物學機制（圖3）兩方面開展工作，取得了一系列重要進展。
應用14CO2連續(xù)示蹤技術，從光合碳的輸入與轉化，不同養(yǎng)分條件對光合碳傳輸的影響以及光合碳的分解動態(tài)三方面來揭示光合碳向土壤碳庫的輸入與轉化調節(jié)機制（圖2）。結果表明，在水稻拔節(jié)灌漿期內，通過水稻的根際沉積作用，有4-6%的光合碳進入土壤有機碳庫，這部分新碳對土壤可溶性有機碳的貢獻為2-4%，對土壤微生物生物量碳的貢獻為9-18%。同時，水稻光合碳的輸入抑制了稻田土壤原有有機碳的礦化分解，表現出明顯的負激發(fā)效應，這對維持稻田土壤的碳匯功能具有十分重要的作用，研究結果發(fā)表在Soil Biology & Biochemistry（Ge et al., 2012, 48: 39–49)。而且，不同施氮水平亦對水稻光合碳輸入及其在不同碳庫中分配產生影響，結果表明，在較高的施N水平下，水稻地上部對碳的積累能力相對較強，水稻光合碳通過根際沉積作用輸入到土壤中的14C-SOC的含量亦相對較高，施N水平明顯促進了水稻新鮮根際碳的沉積，且高氮水平下根際沉積的碳量高于低氮與中量氮水平。同時，水稻生長過程中，根系分泌物促進了土壤微生物生物量碳（MBC）的增加，施N水平顯著影響土壤MBC的更新率，而對DOC更新率的影響較小。研究結果發(fā)表在Plant and Soil（Ge et al., 2014, DOI: 10.1007/s11104-014-2265-8）。該研究量化了水稻光合碳輸入對土壤不同碳庫的貢獻，解析了光合碳在地下部的動態(tài)去向，研究為深入解析稻田碳循環(huán)及土壤微生物在光合碳轉化中的作用機制提供了重要的理論基礎。
圖2 水稻光合碳的輸入與在土壤中轉化示意圖
在稻田土壤微生物固碳（同化大氣CO2）功能方面，研究人員利用14C連續(xù)標記技術，結合密閉系統(tǒng)培養(yǎng)土壤開展工作（圖3），研究表明，無論是80d還是110d的培養(yǎng)期，在光照處理下，農田土壤微生物均具有可觀的CO2同化能力，據估算，他們的CO2日同化速率在0.01-0.1gCm？2之間。如果推算到全球陸地生態(tài)系統(tǒng)，理想狀態(tài)下，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的年碳同化量在0.3-3.7Pg。然而，遮光處理的土壤，其微生物的碳同化功能被完全抑制了。研究結果發(fā)表在Geochimica et Cosmochimica Acta（Ge et al., 2013, 113: 70–78）。同時，研究表明，土壤微生物的光合固碳作用只發(fā)生在表層土壤，但表層同化碳可以向下傳輸，這可能為底層的化能自養(yǎng)微生物提供碳源和電子供體，從而誘導化能自養(yǎng)微生物參與碳同化過程，從而揭示了土壤微生物光能、化能自養(yǎng)固碳的雙重協(xié)同機制。研究結果發(fā)表在Applied Microbiology and Biotechnology（Wu & Ge et al., 2014, 98: 2309–2319）。
圖3 土壤微生物固碳功能（同化大氣CO2）及其生物學機制技術框架圖
同時，通過克隆文庫、T-RFLP及定量PCR等分子生物學技術，對土壤固碳微生物群落組成、結構和數量進行了分析，闡釋了稻田土壤微生物固碳的分子生物學機理，明確了功能微生物種群結構（圖3）。結果表明，稻田土壤固碳細菌的優(yōu)勢種群可能是紅假單胞菌、慢生根瘤與勞爾氏菌菌等，而藻類則以黃澡和硅藻為主，明確了稻田土壤參與CO2光合同化的功能基因（cbbL）及其豐度（0.04~1.3×108 copies g-1），研究結果發(fā)表在Applied and Environmental Microbiology（Yuan & Ge et al., 2012, 78: 2328–2336）。同時，依托稻田長期定位試驗，研究發(fā)現，在田間條件下，稻田土壤也存在相當數量的細菌cbbL基因拷貝數及較高的RubisCO酶活性。根據酶活性估算，年碳同化量在100-450kg/ha之間，這與室內14C-CO2連續(xù)標記培養(yǎng)實驗得出的碳同化量相當，這為我們估算田間條件下，土壤自養(yǎng)微生物的CO2同化速率提供了可能性，研究結果發(fā)表在Applied Microbiology and Biotechnology（Yuan & Ge et al., 2012, 95: 1061–1071）和Biology and Fertility of Soils（Yuan & Ge et al., 2013, 49: 609–616），同時建立了“超聲破碎分離提取”土壤固碳關鍵酶RubisCO活性的提取方法，創(chuàng)建了基于土壤RubisCO活性測定的自然土壤微生物碳同化速率的估算方法（碳同化速率=0.16×RubisCO活性–0.001）。研究結果發(fā)表在Pedobiologia（Wu & Ge et al., 2014, 57: 277–284）。因此，該研究揭示了一個以往被忽視的土壤有機碳的重要輸入途徑，同時改變了土壤微生物在稻田生態(tài)系統(tǒng)中僅擔負有機質分解、礦化功能的長期認識，亦豐富了微生物的基本功能和在碳循環(huán)過程中的作用。