提高土壤有机碳储量是促进碳中和的重要措施。在农田土壤中，匹配合理农艺管理下的秸秆还田是提高土壤有机碳含量的主要措施。有机碳的固持途径及其稳定性与植物残体的化学组成息息相关，因此需要进一步分析植物残体腐解过程中化学组成的演替规律及其最终产物的化学组成。关于植物残体分解最终产物的化学组成，学术界存在两种相反的观点，传统观点认为不同植物残体在不同环境中的最终腐解产物趋于相似；而另一些研究认为，不同植物残体，在不同环境下被不同的微生物群落腐解后的化学组成存在显著差异。微生物双重代谢理论认为，植物残体可以通过微生物的体内同化转化为微生物残体碳，也可以通过微生物分泌的胞外酶（体外修饰）降解为植物残体碳。当微生物体内同化过程占主导时，腐解后植物残体的化学组成趋同，而当微生物体外修饰占主导时，植物残体腐解后的化学组成趋异。但是上述理论缺乏相关的试验证据。并且长期秸秆腐解过程中，在不同的腐解阶段，微生物同化和体外修饰的相对贡献大小是否存在差异仍不清楚；并且主导体外修饰过程和体内同化过程的关键微生物仍有待明确。
针对该问题，南京土壤所孙波研究员课题组基于土壤置换平台，开展了为期9年的秸秆长期腐解试验。利用高通量测序、13C核磁共振和热裂解气象色谱质谱等技术，研究了小麦和玉米秸秆腐解过程秸秆残体化学组成和微生物群落结构的协同演替规律，揭示了关键微生物通过影响微生物的体外修饰和体内同化作用调控秸秆残体化学组成的机制。研究结果表明，长期腐解过程中，秸秆腐解残体的化学组成表现出在快速分解其趋异，而后在慢速腐解期趋同的趋势。在快速腐解期，关键微生物（α-变形菌纲的根瘤菌）通过调控胞外酶活性，提高微生物体外修饰作用，使秸秆残体化学组成趋异。而在腐解9年后，以毛壳属真菌为关键微生物的微生物同化作用的贡献提高，使秸秆残体的化学组成趋同。该研究揭示了三个气候带下长期腐解过程中秸秆残体化学组成演替的微生物机制，为优化不同农区秸秆还田调控措施提供了理论依据。
以上研究成果发表在ISME上。该成果得到了国家重点研发项目，中科院战略先导专项，国家自然科学基金和所创新基金的资助。
图1 秸秆腐解过程中秸秆残体化学组成的演替规律
图2 不同腐解时期关键微生物
