农田有机质含量降低是黑土退化的重要表征之一，秸秆还田被认为是维持土壤有机质含量、改善土壤生态环境的重要手段之一。东北黑土有机质含量呈现明显的地带性分布特点，作物秸秆在腐解过程中向有机质含量不同的农田黑土土壤碳库归还量是否存在差异？哪些土壤微生物参与了作物秸秆碳的转化？参与秸秆碳转化的微生物在不同的黑土又存在哪些差异？这些问题的回答有助于理解东北黑土农田土壤有机碳“南低北高”的分布规律，对黑土科学管理和维持农田土壤生产力有着重要的指导意义。

为此，中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组博士连腾祥在研究员金剑的指导下，采用13C标记示踪技术，在明确大豆根残体向黑土土壤碳库归还量大于茎和叶残体的基础上（Lian et al., 2016, Biology and Fertility of Soils），进一步解析了13C标记的大豆茎秆残体向低、高有机质含量黑土（SOC含量分别为14和50 g/kg）的转化情况。研究发现秸秆碳转化在不同有机质含量黑土中存在明显分异。相同量的秸秆碳向有机质含量高的黑土各有机碳库（粗颗粒有机碳、细颗粒有机碳和矿物结合有机碳）贡献量显著高于低有机质含量的黑土；此外，秸秆还田对土壤固有有机碳产生了激发效应，其效应在低有机质含量的黑土上体现更为显著；同时采用高通量测序技术分析了秸秆添加对黑土土壤微生物群落结构的影响，在属以及OTU水平上揭示了土壤碳库变化与微生物群落结构的响应关系（图1）；发现在低有机质含量黑土中，Verrucosispora、Xanthomonadales和Steroidobacter对秸秆还田响应显著，而在高有机质含量黑土中，Anaerolineaceae_uncultured是主要的响应菌属。另外，土壤微生物群落结构与碳沉积等因子的典范对应（CCA）分析揭示了土壤细菌群落结构与不同SOC碳库的关联（图2）。此项研究成果为黑土区的秸秆还田策略和秸秆碳转化机制研究提供了重要的指导作用。研究结果发表在国际期刊《土壤生物学与肥力》（Biology and Fertility of Soils）和《土壤生物学与生物化学》（Soil Biology & Biochemistry）上。

以上工作得到中科院“百人计划”项目（A类）和国家自然科学基金（41271261, 41201247）的资助。

图1. 大豆残体施入不同有机质含量黑土对细菌属水平的相对丰度的影响

图2. 土壤微生物群落结构与碳沉积等因子的典范对应（CCA）分析