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森林土壤碳库是最大的陆地碳库，其形成主要源于死亡植物组织的输入以及后续土壤生物的转化。现有研究多聚焦于土壤微生物对高度稳定性碳(如矿物结合态有机碳)的贡献。然而，最新证据表明，中等稳定碳组分，主要来源于死亡植物组织，包括颗粒态有机碳和缓慢分解的根叶凋落物，驱动了全球有机碳库的增长，在森林土壤碳固存中同样发挥着重要作用。中等稳定碳组分在土壤中驻留时间可达几十年，并且可能成为高度稳定碳组分的前体，其累积速率和总量取决于植物源碳输入和输出的长期动态过程，然而迄今尚缺乏有关此过程的深入研究。
自20世纪80年代以来，细根在生态系统碳循环中的关键作用已被逐渐认识，研究普遍认为其对土壤中等稳定碳库的贡献甚至可能超过叶片。尽管该论断已提出四十余年，但由于缺乏从整体视角系统探究植物快速周转器官(如细根和叶片)的生长、周转及分解过程(New Phytologist | 氮沉降增加了湿地松人工林的根系产量和周转率，但减慢了根系分解)，吸收根(末端1-3级或直径小于0.5 mm的最细根)对土壤碳累积的贡献至今仍未被量化。同时，吸收根与叶片在土壤碳库形成中的相对重要性，也是一个悬而未决的关键科学问题。
本研究基于北半球328个森林样点的880条吸收根生物量、周转和分解过程，首次同步构建北半球三个根系过程数据库，发现木本植物每年向土壤输入约0.66 PgC用于吸收根的构建和维持，同时每年通过吸收根凋落物分解释放约0.11 PgC，净年累积量可达0.55 PgC。基于根系迭代效应理论框架及其量化方法(Trends in Plant Science | 地理资源所寇亮团队发表关于“根系迭代效应”全新理论范式与量化方法的最新成果)，我们进一步评估了根叶迭代效应对土壤碳库的长期影响。结果表明，在二十年时间尺度上，吸收根迭代效应对土壤中等稳定碳累积的贡献达到2.4 ± 0.1 MgC ha-1，比叶片高出65%(图1)。这一结果证实，尽管吸收根凋落物生产力(41.5 ± 2.1 gC m-2)低于叶片凋落物(154.9 ± 0.6 gC m-2)，但由于更慢的分解速率，吸收根对森林土壤碳的长期累积具有不成比例的重要贡献。
图1 北半球森林吸收根动态过程及其迭代效应对土壤碳累积的贡献
此外，针对不同菌根类型的木本植物，我们分别量化了其吸收根迭代效应，结果显示，在二十年尺度上，丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)植物吸收根的迭代效应对土壤中等稳定碳库的贡献，较外生菌根(ectomycorrhizal, EcM)植物高43%(图2)。这一差异主要归因于AM植物具有更大的吸收根生物量和更快的周转速率。长期以来，以分解速率为导向的研究认为，凋落物分解较慢的EcM森林通常具有更高的土壤碳储量。然而，我们基于吸收根迭代效应的新证据，挑战了这一传统观点。
图2 AM和EcM木本植物吸收根动态过程及其迭代效应对土壤碳累积的影响
当前，根系动态过程研究在方法上存在明显局限，同时其内在机理复杂、观测周期漫长，导致现有土壤碳过程模型难以准确刻画根系过程，尤其是根系迭代效应。针对这一挑战，本研究进一步建立了根经济空间中四个核心性状与完整根系动态过程之间的关联，发现比根长(SRL)与吸收根生物量、周转速率及分解速率均呈显著相关，是预测吸收根迭代效应最具潜力的性状指标。该指标的提出，不仅有助于改进森林土壤碳模型的构建，也为全球碳模型提供了易于获取且适用于长期模拟的地下参数。
研究成果近期在线发表于Nature Geoscience，第一作者为中国科学院地理科学与资源研究所博士生马宁和李胜功研究员，通讯作者为寇亮研究员。合作者包括法国国家科研中心Grégoire T. Freschet、美国莫顿植物园M. Luke McCormack、法国原子能署气候与环境实验室资深Philippe Ciais研究员、明尼苏达大学Peter B. Reich院士、瑞士联邦研究所Arthur Gessler研究员、东北林业大学谷加存教授、地理资源所王辉民、牛书丽、黄元元、付晓莉研究员等。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目资助和支持。
论文信息：
Ma Ning#, Li Shenggong#, M Luke McCormack, Grégoire T Freschet, Philippe Ciais, Wang Huimin, Niu Shuli, Peter B Reich, Zhang Miaomiao, Zhao Rongtian, Zhao Bo, Gao Decai, Arthur Gessler, Huang Yuanyuan, Gu Jiacun, Fu Xiaoli, Dai Xiaoqin, Meng Shengwang, Zheng Jiajia, Yang Fengting, Kou Liang*. 2025.Substantial forest soil carbon accrual from absorptive fine roots over decadal timescales. Nature Geoscience, doi: 10.1038/s41561-025-01790-5. 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-025-01790-5
Kou Liang#*, Ma Ning#, Grégoire T. Freschet, M. Luke McCormack, Shenggong Li. 2025. Iterative effects: a new paradigm for root dynamics. Trends in Plant Science 30: 941–952, doi: 10.1016/j.tplants.2025.05.018. 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.tplants.2025.05.018.
Kou Liang*, Jiang Lei, Fu Xiaoli, Dai Xiaoqin, Wang Huimin, Li Shenggong*. 2018. Nitrogen deposition increases root production and turnover but slows root decomposition in Pinus elliottii plantations. New Phytologist 218: 1450-1461, doi: 10.1111/nph.15066. 论文链接：https://doi.org/10.1111/nph.15066
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