外源活性碳輸入引起的土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)，是影響全球土壤碳平衡的重要過程，其對土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）礦化的影響強(qiáng)度，甚至超過溫度等環(huán)境因子。一般認(rèn)為，激發(fā)效應(yīng)的產(chǎn)生，是由于外源碳輸入導(dǎo)致土壤微生物C-N計量學(xué)上的不平衡，驅(qū)使微生物加快分解SOM以獲取更多的N——這稱為“N-mining”假說。然而，激發(fā)效應(yīng)可能隨土壤活性碳輸入量的增加而改變其強(qiáng)度甚至方向（即由正激發(fā)變?yōu)樨?fù)激發(fā)效應(yīng)）；在不同碳輸入量下，激發(fā)效應(yīng)的機(jī)制是否都可用“N-mining”假說加以解釋，至今尚難定論。
為此，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究團(tuán)隊通過向淹水水稻土添加不同量的13C標(biāo)記葡萄糖，連續(xù)觀測了60d培養(yǎng)期內(nèi)的SOM激發(fā)效應(yīng)動態(tài)，并結(jié)合13C-PLFA技術(shù)，分析了不同類群微生物的碳源利用情況，探討了在不同葡萄糖輸入量下激發(fā)效應(yīng)機(jī)制（微生物N獲取策略）的變化。結(jié)果表明：SOM礦化的激發(fā)效應(yīng)隨著葡萄糖輸入量的增加，呈單峰曲線的變化形式（圖1），在葡萄糖輸入量相當(dāng)于50-300%微生物量碳（MBC）時達(dá)到最大；此后，激發(fā)效應(yīng)反而下降，甚至變?yōu)樨?fù)激發(fā)效應(yīng)（即抑制土壤碳礦化）。隨葡萄糖輸入量的增加，土壤無機(jī)N含量急劇下降，同時，與氮獲取有關(guān)的土壤胞外酶活性也明顯上升，顯示微生物的氮缺乏隨碳輸入量而上升。據(jù)此，可以用“N-mining”假說解釋在低—中等碳輸入下的激發(fā)效應(yīng)，即當(dāng)活性碳添加低于50-300% MBC時，微生物可以通過加速SOM的分解獲取足夠N素。然而，這一假說不能解釋極高碳輸入量（300-500% MBC）為何抑制SOM礦化，因在此情況下，土壤N水解酶活性的增強(qiáng)并未伴隨SOM礦化速率的上升。為此，本研究提出，在活性碳輸入量過高的情況下，土壤微生物無法通過單純加快SOM（較難利用）分解而迅速獲得足夠的N素，轉(zhuǎn)而通過死微生物量（Necromass）的再利用而解決嚴(yán)重的N匱乏（圖2）。確實，該研究發(fā)現(xiàn)：（1）在培養(yǎng)的中后期，在300-500% MBC碳添加量下出現(xiàn)數(shù)個CO2、CH4排放的“異常峰”，不遵循一般培養(yǎng)中碳礦化的指數(shù)衰減動態(tài)，此類峰的13C含量約90%，很可能來自Necromass的分解；（2）Necromass在土壤中的累積量隨葡萄糖添加量而上升；（3）13C-PLFA數(shù)據(jù)顯示，部分微生物類群在培養(yǎng)前期迅速吸收利用了13C-葡萄糖，而在培養(yǎng)后期其13C含量大幅下降；與之相反，另一些微生物類群在培養(yǎng)初期利用13C很少，反而在培養(yǎng)后期顯著增加了13C的利用，表明一部分微生物回收利用了另一部分微生物的Necromass。這一Necromass回收利用過程的提出，是對土壤SOM礦化激發(fā)效應(yīng)機(jī)制的重要補(bǔ)充。
該項研究近期以題為Carbon and nitrogen recycling from microbial necromass to cope with C:N stoichiometric imbalance by priming發(fā)表在土壤學(xué)Top期刊Soil Biology and Biochemistry上。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金、中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所青年創(chuàng)新團(tuán)隊項目等項目資助。
圖1 土壤活性碳輸入量與SOM激發(fā)效應(yīng)的關(guān)系
圖2 不同活性碳輸入量情況下土壤微生物的N獲取策略變化