研究人员发现根系分泌物对土壤碳储存具有惊人且违反直觉的影响

生态系统生态学研究通常关注植物在地上发生的事情，例如探索光合作用或叶子中的水分流失。但是，在评估生态系统过程时，植物根部地下发生的事情同样重要。

在自然地球科学的一项新研究中，哈佛大学有机和进化生物学系的研究人员检查了根系分泌物及其对土壤碳储存的影响，揭示了令人惊讶和违反直觉的结果。

根系分泌物是从活的植物根部释放到土壤中的有机碳化合物(如单糖、有机酸和氨基酸)。这些小分子可以直接与土壤矿物质结合，使它们成为土壤碳形成和流失的重要调节剂。与必须分解才能影响土壤碳库的植物凋落物(如树叶和根)不同，根系分泌物可以对矿物相关有机质(MAOM)产生直接影响，其中包含长期循环的“稳定”土壤碳。

几项研究表明，人为升高的大气CO2浓度可能会增加植物根系分泌物的速率并改变根系分泌物的化学成分。主要作者NikhilR.Chari博士候选人和资深作者BentonN.Taylor教授通过检查根系渗出率和渗出物成分的变化如何影响温带森林中的原生土壤碳动态，测试了这些变化如何影响土壤碳。

Chari和Taylor从马萨诸塞州中部的温带阔叶林哈佛森林收集土芯，并将它们直接放在离心管中培养。然后，他们制造了三种不同的碳13根系分泌物“鸡尾酒”，包括单糖、有机酸和氨基酸。他们在三十天的时间内以两种不同的速率通过“人造根”将“鸡尾酒”输送到土壤核心。与其他研究不同，Chari和Taylor没有使用均质或人造土壤。他们的采样方法保留了森林中土壤碳和微生物群落的大量异质性。

“我们想知道这些机制是否在具有生态意义的尺度上产生影响，”Chari说。“我们使用完整的土芯来测试根系分泌物的影响是否会克服系统中的自然异质性。”

研究人员测量了核心中的初始和最终碳储量。他们发现，根系分泌物对土壤碳的贡献是由对长周期MAOM部分的贡献驱动的。MAOM是土壤颗粒上的微观涂层，主要由细菌和真菌的副产品制成。MAOM可在土壤中停留数十年，这意味着它可以在很长一段时间内保持土壤中的碳。

完整的土壤核心在离心管(蓝色盖子)中孵育，人工根连接到手动泵系统，为每个核心提供不同的渗出液溶液。学分：尼基尔查里

在较高的根系分泌物速率下，即使根系分泌物对MAOM的贡献增加，MAOM碳库也没有改变。但在较低的根系渗出率下，Chari和Taylor观察到净MAOM碳积累，尽管渗出物的贡献没有那么大。

“你会认为，如果提高根系渗出率，就会增加土壤中的碳输入，从而形成更多的土壤碳，”Chari说，“但我们发现相反的效果抵消了碳的增加。”

研究人员将此称为启动效应。当新土壤碳的输入促使旧土壤碳分解时，就会发生启动。相对于MAOM形成率，根部渗出率的增加似乎增加了MAOM启动率。

“第一原则表明，我们通过渗出进入土壤的碳越多，这些MAOM部分中积累的碳就越多。事实上，情况似乎并非如此，”泰勒说。“实际上，你得到了更多的MAOM形成，但你也得到了更多的损失并且它平衡了。你实际上并没有让更多的碳粘附在土壤中，即使你推入更多。”

Chari和Taylor还发现不同的渗出物化合物各自对土壤碳有不同的影响。葡萄糖(单糖)在形成和损失方面产生更高的MAOM周转率，但没有MAOM的净积累。虽然琥珀酸(有机酸)和天冬氨酸(氨基酸)降低了MAOM的形成速率，但确实导致了MAOM净碳积累。有趣的是，研究人员发现氨基酸在增加微生物生物量碳形成方面具有特别强烈的积极作用，而全球变化引起的有机酸则没有。这些发现再次表明，更大的微生物群落增强了微生物启动效应。结果进一步验证了预测的根系分泌率增加和向单糖的转变可能会降低土壤的碳储存能力。

泰勒说：“这些变化无处不在地表以下，但即使是这个过程中的微小变化也会对土壤碳储存产生巨大影响。”“人们知道叶子中的过程很重要，但我们脚下的每根根都会对土壤中的碳产生巨大影响。CO2浓度升高、变暖或其他气候变化驱动因素可能导致土壤碳损失与土壤不成比例地增加积碳。”

展望未来，Chari和Taylor继续测量在CO2升高和各种不同生态系统(包括温带森林、草原以及玉米和大豆农田)变暖的情况下根系分泌物的速率和成分的变化。