在应对全球气候变化与农业可持续发展的挑战中，如何通过农业管理措施提升土壤碳汇能力、优化碳循环过程，成为保障土壤生态功能与资源高效利用的核心问题。作物通过光合作用固定大气中的CO?(光合碳)是土壤碳固存的重要前体，而秸秆还田作为典型的保护性农业措施，既能补充土壤碳源与养分，又能激活土壤食物网。为此，中国科学院沈阳应用生态研究所土壤健康维持机制与生物调控途径创新组群在辽宁沈阳农田生态系统国家野外观测研究站，利用田间试验与13C同位素标记微区试验(图1)，系统探究了秸秆还田条件下土壤食物网介导的光合碳转化及土壤碳固存的调控机制。
图1标记同位素碳在作物-土壤-土壤食物网中流动、转化和固存过程的概念图
主要的研究亮点如下：
秸秆还田提升土壤有机碳、重塑土壤食物网、激发光合碳的高效转化
秸秆还田使土壤颗粒有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MAOC)含量显著提高 30.96% 和 11.39%，同时也改变了土壤食物网生物群落组成，微生物、小型和中型土壤动物间形成更紧密的营养级联关系。秸秆还田通过“原生碳分解”与“新碳输入”的共同作用，激发了光合碳向土壤中的输入转化以及土壤碳固持。
小型土壤动物作为“桥梁”是碳转化更新的核心调控者
对土壤碳更新贡献的量化分析显示，与土壤微生物和中型土壤动物相比，小型土壤动物(线虫)对土壤碳更新的贡献率更高，达 60.52%(图2)。小型土壤动物作为“中介者”在土壤微生物和中型土壤动物之间搭建了一个桥梁，通过增强土壤食物网内部的协同效应促进了土壤活性碳(POC)与稳定碳(MAOC)的周转，影响二者之间的权衡关系，成为碳转化的核心调控者。
图2 13C的相对转化率以及土壤食物网各类群对碳转化的相对贡献
作物-土壤-土壤食物网协同驱动和调控碳固存过程
对光合碳转化路径的追踪结果表明，光合碳通过“作物→土壤→土壤食物网”这一链条进行高效周转，同时细菌分解通道促进了 POC 的快速更新，真菌分解通道促进了 MAOC的稳定积累(图3)。作物-土壤-土壤食物网的协同效应，促进了光合碳在土壤生态系统中的转化和固存。
图3 秸秆还田(SR)条件下土壤食物网不同营养类群对颗粒有机碳(POC)
和矿物结合态有机碳(MAOC)的作用
综上，该研究率先明确了“秸秆还田→土壤食物网重构→光合碳高效转化→土壤碳固存”的链式调控机制，证实秸秆还田通过激发效应与更新效应的协同作用，推动光合碳向土壤稳定碳库分配，且小型土壤动物在其中发挥核心调控作用。研究结果为优化保护性农业措施、提升农田土壤碳汇能力提供了关键的生物学依据，同时也为理解“地上—地下生态系统协同调控”机制提供了新视角。
该研究成果以“Stover return enhances the transformation and sequestration of photosynthetic carbon through regulating soil food web”为题，发表于SCI期刊《Journal of Cleaner Production》(Ⅰ区，影响因子10.0)。中国科学院沈阳应用生态研究所已毕业的田艺佳博士为第一作者，张晓珂研究员为通讯作者。中国科学院沈阳应用生态研究所梁文举研究员和李琪研究员，东北师范大学寇新昌副教授以及沈阳农业大学安婷婷副教授和孙良杰老师也参与指导了该项工作。研究得到国家自然科学基金联合基金项目(U22A20501)、国家重点研发计划项目(2022YFD1500600)等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.146910
