根际碳氮循环是植物与土壤系统之间最活跃的界面过程，对环境变化极为敏感。研究大气CO₂浓度升高背景下根际碳氮耦合机制，对于准确预测陆地生态系统碳氮积累潜力至关重要。土壤微生物作为凋落物和土壤有机碳的主要分解者，调控着碳输入与输出过程。土地利用变化会改变土壤微生物群落结构，进而影响生态系统功能。因此，理解土地利用变化对微生物群落的影响，对阐明全球碳循环具有重要意义。
中国科学院武汉植物园土壤生态学课题组程晓莉研究员与新西兰草地农业研究所合作，利用新西兰牧场的长期（13年）FACE实验平台，系统研究了两种常见牧草——Agrostis capillaris 和 Lolium perenne 的根际碳氮循环过程。结果表明：大气CO₂加富处理促进了 L. perenne 的生长，但抑制了 A. capillaris 的生长。CO₂加富显著提高了两种植物根际土壤有机碳、全氮含量以及净氮矿化和硝化速率。然而，微生物碳对CO₂加富的响应在两种植物根际存在差异：在 L. perenne 根际增加，在 A. capillaris 根际减少，表明 A. capillaris 根际更有利于土壤有机碳积累。此外，CO₂加富对根际硝态氮影响不大，但显著增加了 A. capillaris 根际的氨态氮浓度。氨态氮的积累可能在未来刺激 A. capillaris 生长，导致新西兰牧场植物组成发生变化。该研究为全球变化背景下牧场管理提供了科学依据。
武汉植物园博士生张倩在程晓莉指导下，研究了湖北省丹江口库区造林对土壤微生物群落结构和生物量的影响。结果发现：造林地（森林和灌丛）的总磷脂脂肪酸量及细菌、真菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、放线菌、丛枝菌根真菌的磷脂脂肪酸量均高于农田和荒地，且各微生物类群的磷脂脂肪酸量大多呈现表层高于深层的趋势。冗余分析和Pearson相关分析表明，土壤微生物群落结构的变化与土壤含水量、pH、温度、土壤有机碳及有机氮化学分馏组分（包括总有机碳、总有机氮、易变碳、易变氮、惰性碳和惰性氮）密切相关。其中，土壤总有机碳和易变碳与不同土地利用类型下的微生物群落结构组成呈显著相关。造林同时增加了土壤基础微生物呼吸，但造林地单位磷脂脂肪酸释放的CO₂含量显著低于农田和荒地，表明造林地能够将更多碳储存于土壤有机碳库中。因此，从长远来看，研究土地利用变化对土壤碳储存和减少CO₂排放具有重要意义。
该研究得到国家自然科学基金（31470557, 31270550, 31130010）和中科院战略先导专项B（XDB15010200）的资助，相关成果分别发表于《农业、生态系统与环境》（Agriculture, Ecosystems and Environment）和《科学报告》（Scientific Reports）国际学术期刊。
图1. 大气CO₂加富处理对植物生长和养分的影响
图2. 不同土地利用方式土壤真菌、细菌和总磷脂脂肪酸量及真菌/细菌比（W：森林；S：灌丛；C：农田；U：荒地）