作物光合碳向土壤有机质关键组分的转化及其对CO2浓度升高的响应

在全球变化背景下，阐明土壤有机碳的来源、转化、去向及截获和稳定机制是评价土壤生态系统固碳潜力的核心和关键。虽然土壤有机碳的平衡和特性还取决于收获后作物残体的归还，但作物生长期间光合产物向地下部分的输入及其对土壤有机碳活性、功能及产-失平衡的影响对评价土壤碳库的源汇功能更为重要。然而，作物光合碳向土壤有机质及关键组分的转化动态和分配特性仍不清楚，如何受到CO2浓度升高的影响也是亟待探讨的科学问题。因此，本项目以不同浓度的13CO2供给小麦生长，利用色谱/质谱（或同位素比例质谱）技术跟踪作物光合13C在土壤及其关键组分中（氨基酸、氨基糖、中性糖和木质素）的转化和富集动态，阐明作物光合碳向土壤有机碳库的转化特征及其对CO2浓度升高的响应；并通过了解不同CO2浓度对土壤有机碳及其关键组分在矿物结合态和颗粒有机质间分配动态的影响，揭示全球变化条件下的农田土壤有机质转化循环过程和调控机制。

按照项目计划，本研究以小麦-土壤生态系统为研究对象，采用13CO2连续标记手段，利用色谱-质谱及同位素比例质谱技术，重点开展了CO2浓度升高条件下光合碳在土壤-植物系统中不同来源、不同功能的关键组分的分配特征研究，在分子水平上探讨不同CO2浓度对土壤-植物系统光合碳分配动态的影响，定量评价土壤-植物系统碳截获能力并探讨其调控机制。研究工作的主要进展包括三个方面：. 1. 在技术上，研究发现大气CO2中的碳的植物同化过程遵循单碳固定和随机性原则，并验证了小麦（C3植物）光合过程中的Calvin循环路径。. 2. 在小麦的光合产物积累特征研究中，发现CO2浓度升高不仅提高了作物的生物量，同时也增加了单位生物量的光合碳富集程度，因而增加了光合碳在植株中的积累。植株中光合碳的积累以及对CO2浓度升高的响应具有显著的同化产物特异性。光合碳在非结构性碳水化合物（利用中性单糖表征）中的富集程度显著低于结构性碳水化合物（利用木质素单体表征），表明光合碳易于在稳定性组分中保留。CO2浓度升高降低了光合碳向中性单糖的转化，但是显著提高了光合碳在木质素单体中的富集，暗示CO2升高可能改变了光合碳，尤其在小麦根系中的可分解性，从而可能对土壤-植物系统的碳转化产生影响。. 3. 在小麦-土壤生态系统中，短期CO2浓度升高（一个生长季）对土壤有机碳总量无显著影响，但是显著增加了光合碳在土壤中的积累，尤其增加了小麦营养生长期间光合碳向地下的传递，因而提高了土壤有机碳的循环速率。短期CO2浓度升高主要通过增加了新的稳定性有机物质的输入以及在土壤中的积累显著升高促进了土壤有机碳的更新。在CO2浓度升高条件下，微生物对光合碳的利用能力显著增加。具有高分解能力的真菌对光合碳的利用能力在拔节期显著提高，随着小麦的生长，土壤细菌对光合碳的同化能力显著提高。. 通过本项研究，已发表SCI论文5篇， CSCD论文3篇，参与承办国际研讨会1次（中-美双边国际研讨会），参加国内学术研讨会3次，进行主题报告1次。根据研究成果进一步整理两篇SCI论文已经投往《Rapid Communications in Mass Spectrometry》和《New Phyotologist》。培养硕士研究生3名，博士研究生1名。