東北地理所在不同外源碳類型調控土壤激發效應研究中取得進展
土壤是陸地生態系統中最大的有機碳庫，其微小變化即可顯著影響大氣二氧化碳濃度和全球氣候。外源碳輸入可通過激發效應促進或抑制土壤有機質的礦化，但不同碳源類型誘導的激發效應強度、方向及其驅動機制一直缺乏全球尺度的系統評估。
中國科學院東北地理與農業生態研究所李祿軍研究員團隊聯合浙江大學、英國雷丁大學和美國加利福尼亞大學戴維斯分校等國內外多家科研機構，在國際學術期刊Global Change Biology發表題為“Priming effects on soil organic matter mineralization by carbon substrates: A global meta-analysis”的學術論文。該研究基于100年激發效應的研究數據(1926-2026; 283篇文獻、8,015組觀測數據)，首次系統比較了植物殘體、根系分泌物、生物炭和可降解微塑料四種外源碳輸入對土壤有機質激發效應的影響，并闡明了不同碳源類型及其組分特征調控激發效應的內在機制。
研究發現，四種外源碳均誘導正激發效應，即促進了土壤有機質的礦化，但其強度差異顯著。植物殘體誘導的激發效應最高，平均增幅達319%；其次為根系分泌物(193%)、生物炭(130%)和可降解微塑料(107%；圖1)。
圖1四種碳源誘導土壤激發效應的均值和效應值
具體而言，植物殘體中富含纖維素/半纖維素的非木本植物殘體(如草本植物和農作物)使土壤有機質礦化增加113%，而富含木質素的木本植物殘體僅增加25%(圖2)。木質素較高的抗分解性及其與黏土礦物的結合是削弱激發效應的主要原因(圖4)。對于不同的根系分泌物組分，有機酸誘導的激發效應最強(土壤有機質礦化增加151%)，遠高于單糖(53%)和多糖(12%; 圖2)。主要是由于有機酸通過酸化土壤釋放額外的礦質養分，并因其低分子量可直接被微生物利用，從而促進微生物的生長和激發效應的強度(圖4)。具有高芳香碳含量的木本植物來源生物炭誘導的激發效應(48%)略高于非木本植物來源生物炭(43%; 圖2)。生物炭的熱解溫度起關鍵調控作用，在200–400°C下制備的非木本植物來源生物炭誘導的激發效應最強(84%)，而在400–600°C制備的木本植物來源生物炭誘導激發效應最強(83%; 圖3)。具有高降解性聚羥基脂肪酸酯(PHA)微塑料使土壤有機質礦化增加258%，而低降解性聚乳酸(PLA)對土壤有機質礦化無影響(圖2)。快速降解的微塑料(如PHA)易水解、熔點低，可快速為微生物提供碳源，從而通過激發效應促進土壤有機質的礦化；緩慢降解的微塑料(如PLA)則因降解緩慢，可通過形成“塑料際”抑制土壤有機質的礦化(圖4)。
圖2不同碳源組分誘導的土壤激發效應平均效應值
圖3熱解溫度對生物炭誘導土壤激發效應的影響
該研究首次在全球尺度上系統闡明了不同外源碳基質類型及其組分對土壤激發效應的差異化影響，明確強調了碳源類型和質量(如纖維素/木質素比例、分子量、可降解性等)在土壤有機質礦化過程中的核心作用(圖4)。研究成果為精準預測土壤碳動態、優化農業廢棄物還田管理以減緩土壤碳庫損失提供了重要科學依據。
圖4四種碳源類型誘導土壤有機質激發效應的概念圖
論文第一作者為中國科學院東北地理與農業生態研究所在讀博士生董宏鑫，通訊作者為李祿軍研究員。合作者還包括中國科學院東北地理與農業生態研究所特別研究助理戴閃閃、何朋博士，浙江大學符穎怡博士后、羅煜副教授，英國雷丁大學Margaret A. Oliver教授，美國加利福尼亞大學戴維斯分校William R. Horwath教授。該研究得到國家自然科學基金、黑土地保護與利用重點實驗室(中國科學院)、中國科學院國際伙伴計劃以及吉林省自然科學基金的聯合資助。
論文信息：Dong, H., Fu, Y., Dai, S., He, P., Luo, Y., Oliver, M.A., Horwath, W.R., Li, L.J., 2026. Priming effects on soil organic matter mineralization by carbon substrates: A global meta-analysis. Global Change Biology 32(4), e70861.
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/gcb.70861
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吉公網安備22017302000214號
