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文献分享丨同位素碳组分相关文献解读
2026-08-03
¹³C稳定同位素技术是研究土壤有机碳（SOC）动态过程的重要手段。由于C3和C4植物具有显著不同的¹³C自然丰度（δ¹³C值分别约为-27%0和-13%0），通过追踪¹³C信号变化，可以精确解析不同来源碳在土壤各组分中的分配、周转及稳定性。
SOC（土壤有机碳）作为总碳库，其δ¹³C值反映了历史植被类型和大气CO₂的累积效应。当植被由C3转为C4（或反之）时，SOC的¹³C丰度会随新输入碳的混入而逐渐变化，据此可估算整体碳库的平均周转时间。
POC（颗粒有机碳）主要由部分分解的植物残体组成，是活性碳库。POC的δ¹³C值通常接近原始植物源，周转较快（数月至数年），¹³C示踪显示其对植被变化响应敏感，是土壤碳变化的早期指示器。
MAOC（矿物结合态有机碳）与黏土矿物紧密结合，是稳定碳库。MAOC的δ¹³C值往往较POC偏正，表明其经历了微生物改造。利用¹³C标记可证明MAOC主要由微生物代谢产物形成，周转时间可达数十年至数百年，是土壤长期固碳的核心。
MBC（微生物生物量碳）是活性最高的组分。¹³C标记实验显示，新输入的根系分泌物或凋落物碳会快速进入MBC库，通过测定MBC的δ¹³C动态，可量化微生物对新鲜碳的利用效率及碳在微生物-土壤间的循环速率。
DOC（溶解性有机碳）是土壤碳迁移的载体。¹³C分析可追踪DOC的来源（根系分泌vs有机质分解）及其在土壤剖面中的淋溶路径，揭示碳从活性库向稳定库转化的中间过程。
综上，¹³C同位素技术为揭示SOC各组分的来源归属、周转速率及稳定机制提供了不可替代的示踪工具，是土壤碳循环研究的核心方法之一。

文献案例1：地下碳输入比地上碳输入能更高效驱动微生物形成稳定土壤碳

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英文题目：Microbial formation of stable soil carbon is more efficient from belowground than aboveground input

发表期刊：Nature Geoscience（IF:15.9）

发表时间：2018

样本类型：美国康涅狄格州温带混交林原位土壤：上层有机层、0-15cm矿质表层土；实验室人工构建土壤微宇宙，内置多孔人工塑料根系，严格划分根际土（根系周边8mm，21g）、大块土体（剩余矿物土壤，210g），根际/土体质量比固定1:10；试验底物为99atom% ¹³C标记葡萄糖（模拟根系分泌物、叶片淋溶DOC）

检测技术

¹³C全因子同位素示踪；53μm湿筛分区分POC、MASOC；6M HCl酸解筛选稳定矿质结合碳；氯仿熏蒸法测定¹³C-MBC；EA-IRMS同位素质谱；野外微生物离体对照试验；方差、线性/非线性回归、情景模拟建模。

研究内容

学界普遍认为地上凋落物是稳定土壤有机碳核心来源，但近年野外观测发现地下根系分泌DOC形成长效矿质碳效率更高，却缺少可控试验区分三大核心假说机制：碳迁移路径距离、碳输入微生境（根际/土体）、碳输入节律（脉冲/持续滴灌）。本研究完全统一DOC底物（葡萄糖）、总碳输入量，排除碳质、碳总量混淆变量，搭建8组全交叉微宇宙处理，聚焦DOC-微生物合成稳定MASOC通路定量解析地下固碳优势。结果证实地下根系路径生成稳定碳效率约为地上叶片淋溶路径2倍；单位质量根际土微生物转化碳效率远超土体，但土体总体积更大，全系统总稳定碳储量更高；持续低频滴灌式根系输入可维持稳态微生物同化，降雨式脉冲输入易引发微生物爆发、碳二次矿化流失。配套纯微生物离体试验证明根际微生物群落本身具备更高稳定碳合成能力，并非仅由底物浓度差异导致。模型模拟显示土壤根/土体质量比决定地上、地下碳库相对贡献，为陆地碳循环模型补充地下路径效率修正系数提供实测数据支撑。

研究路线

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研究结果

全微宇宙整体同位素碳库结果如图1所示，在统一¹³C葡萄糖输入总量的条件下，地下根系DOC处理约9%的标记碳最终转化为稳定¹³C-MASOC，而地上叶片淋溶DOC处理仅5%标记碳形成稳定矿质碳，地下路径固碳效率提升190%；无菌空白对照组仅0.3%葡萄糖留存为稳定MASOC，直接证明微生物同化是稳定土壤碳生成不可或缺的核心过程。全系统尺度下¹³C-MBC总量与稳定 ¹³C-MASOC存在极显著线性正相关（y=1.29x+2152.80，r2=0.70，图1b），微生物生物量碳越多，经代谢转化形成长效矿质稳定碳的总量越高。单位土壤浓度维度结果见图2，每克根际土生成的稳定¹³C-MASOC浓度是土体的340%，说明根际微环境单位微生物转化效率更高；但由于土体土壤总质量为根际10倍，整个微宇宙内土体总稳定¹³C-MASOC储量比根际高出170%。同时根际内部¹³C-MBC与稳定碳呈饱和二次曲线关系（r2=0.63，图2b），反映根际矿物吸附位点、微生物代谢容量存在碳饱和阈值，高浓度DOC输入会限制稳定碳产出。野外分离微生物的离体验证试验结果见图3，在完全统一碳底物浓度、消除空间底物差异后，根际微生物每单位¹³C-MBC可生成121%更多稳定¹³C-MASOC；根际微生物组¹³C-MBC与稳定碳拟合线性相关性极强（r2=0.74，蓝三角），而土体微生物群落无显著线性关联（r2=0.15，橙圆点），同步配套微生物呼吸指标证明根际微生物代谢活性随生物量同步提升，土体微生物活性无明显响应，证实根际微生物群落本身具备更强的稳定碳合成能力。DOC迁移相关同位素结果显示，地上DOC需要穿过完整有机层，约36倍¹³C碳滞留在有机层无法抵达矿质土壤，碳损耗显著高于地下直接进入矿质层的根系DOC；脉冲式DOC输入会导致短期土壤DOC浓度骤升，但会诱发微生物爆发性矿化，最终留存稳定碳显著低于持续滴灌处理。根际土/土体比例情景模拟表明，随根际土/土体质量比值增大（草地生态系统特征），地下根系DOC对总稳定MASOC的贡献持续升高，比值缩小（森林生态系统）时地上DOC贡献逐步反超；根际土/土体=1/4时地下碳贡献比地上高20%，比值1/25时总稳定碳储量相比试验体系下降约15%。

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图1.整个微宇宙中稳定¹³C-MASOC的形成。（a）柱状图表示各实验处理下，整个微宇宙中形成的稳定¹³C-MASOC的平均质量（误差棒为标准误，n=6）。（b）整个微宇宙中形成的稳定¹³C-MASOC总量与¹³C-MBC总量之间的关系。

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图2.根际或大田土壤中每克土壤形成的稳定¹³C-MASOC浓度。（a）每根柱子表示各处理对应的特定输入区域中，每克土壤形成的¹³C-MASOC的平均浓度（误差棒为标准误，n=6）。（b）在特定的土壤输入区域内，每克土壤中稳定¹³C-MASOC的浓度与¹³C-MBC浓度之间的关系。

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图3.使用野外分离的根际与大田土壤微生物群落进行的后续测定。（a）在野外分离的根际与大田土壤群落中，稳定¹³C-MASOC形成量与¹³C-MBC之间的关系（n=12）。（b）在野外分离的根际与大田土壤群落中，活性微生物生物量与¹³C-MBC之间的关系。

文献案例2：蚯蚓功能群生态位分化与互作调控土壤碳转化去向

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英文题目：Niche differentiation and interaction between earthworm functional groups shape distinct soil carbon fate

发表期刊：Soil Biology and Biochemistry（IF:9.8）

发表时间：2026

样本类型：北京顺义农田壤土；大型亚克力土柱；表栖蚯蚓Eisenia fetida、深栖垂直通道蚯蚓Amynthas carnosus；¹³C标记小麦秸秆；分层土体（0-15、15-30、30-45cm）、新鲜蚯蚓粪

检测技术

¹³C秸秆同位素示踪；DOC/MBC/POC/MAOC碳分级；氯仿熏蒸测MBC；EA-IRMS同位素质谱；气相色谱测定CO2通量；二端元同位素混合模型；碳固存指数SQ；方差、线性回归分析。

研究内容

蚯蚓兼具碳矿化激发与有机-矿物稳定双重调控作用，但不同生态型蚯蚓单独、共存的差异化碳调控机制，以及蚓粪独立碳转化功能尚不清晰。本研究设置无蚯蚓对照、单表栖、单深栖、混合蚯蚓4组土柱，添加¹³C标记小麦秸秆开展60天恒温培养，同位素追踪秸秆碳在DOC、MBC、POC、MAOC间分配规律。表栖蚯蚓仅驱动表层活性DOC、MBC快速周转；深栖蚯蚓通过垂直洞穴向下输送有机质，促进团聚体形成与矿物结合，提升深层MAOC；两类蚯蚓共存产生协同互补效应，全土SOC累积量最高，新增SOC中23.3%来源于秸秆碳。蚓粪SOC、POC、MAOC浓度全面高于周边土体，是活性碳向长效稳定碳转化关键过渡热点；培养前期蚯蚓扰动引发CO2矿化脉冲，后期稳定碳积累占据主导。同位素定量证实蚓粪是秸秆外源碳转化为矿物结合碳的核心载体，揭示蚯蚓功能多样性与蚓粪生物转化过程是秸秆还田农田碳封存两大关键机制，为农田碳管理与碳循环模型优化提供实测支撑。

研究路线

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研究结果

秸秆来源¹³C碳库整体分配结果见图1，同时添加蚯蚓与¹³C秸秆的WE处理土体与蚓粪总¹³C-SOC含量显著高于无秸秆、无蚯蚓对照，WE组土体总¹³C-SOC达5.78g·kg-1，其中0.61g·kg-1为秸秆衍生碳，占SOC增量23.3%；蚓粪中¹³C-SOC高达6.71g·kg-1，秸秆来源碳1.34g·kg-1，证明蚓粪大量富集秸秆外源碳。碳组分分层同位素数据显示，WE处理土体与蚓粪的¹³C-DOC、¹³C-MBC相比对照组显著提升，但蚓粪内¹³C-DOC占比远低于土体，说明蚓粪内部易分解溶解碳快速转化为颗粒与矿物稳定碳；¹³C-POC与¹³C-MAOC在蚓粪中浓度全面高于周边土壤，混合蚯蚓处理蚓粪两类稳定标记碳达到所有处理峰值，单表栖蚯蚓处理对MAOC提升作用微弱，单深栖与混合蚯蚓可显著促进秸秆碳向矿物结合库转化。时序同位素动态显示所有处理¹³C-DOC、¹³C-MBC与CO₂排放均在培养第3天达到峰值，对应蚯蚓扰动诱发的碳激发效应；随培养时间延长，活性¹³C-DOC、¹³C-MBC持续下降，¹³C-POC、¹³C-MAOC不断累积，碳库完成由活性向稳定组分的长期转化。四组处理SOC与累计CO₂均呈显著正相关，混合蚯蚓AE处理拟合R2最高（0.75），说明混合功能群蚯蚓可同步提升有机质分解速率与稳定碳封存总量，存在协同碳调控效应。分层同位素对比表明，深栖蚯蚓可通过垂直洞穴将秸秆¹³C碳输送至下层土壤，显著提升深层¹³C-MAOC储量，而表栖蚯蚓仅作用于表层土壤，仅提高表层¹³C-DOC与¹³C-POC，对深层稳定碳无明显贡献。

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图1.培养60天后，不同蚯蚓处理下土壤有机碳（SOC）及其功能组分中的秸秆源碳含量。秸秆源碳的定量基于标记小麦秸秆与背景土壤碳的同位素特征，采用双端元δ¹³C混合模型进行计算。图中数值代表各碳库中由¹³C标记秸秆贡献的碳含量。共设4个处理：无蚯蚓对照（CK）、添加小麦秸秆（W）、接种蚯蚓（E）以及小麦秸秆与蚯蚓联合处理（WE）。

文献案例3：稳定同位素示踪长期耕作小麦-玉米体系根际沉积碳对土壤有机碳的贡献

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英文题目：Tracing Rhizodeposition Contributions to Soil Organic Carbon under Long-Term Tillage in a Wheat–Maize System Using Stable Isotope Labeling

发表期刊：Journal of Agricultural and Food Chemistry（IF:6.2）

发表时间：2025

样本类型：河北吴桥15年小麦-玉米轮作粉砂壤土；根际土（根系2-3mm附着土）、非根际土体；小麦、玉米植株；¹³CO₂同位素标记气源

检测技术

¹³CO₂原位脉冲标记；¹³C-DOC/¹³C-MBC/¹³C-POC/¹³C-MAOC碳分级；氯仿熏蒸法；EA-IRMS同位素质谱；土壤水解酶/氧化酶荧光定量；16S、ITS微生物高通量测序；随机森林、PLS-PM路径模型；双因素方差、PCoA群落分析。

研究内容

耕作方式通过扰动土壤结构改变根际微环境，调控光合根际沉积碳向稳定MAOC转化，但小麦、玉米根系碳响应耕作的差异及微生物介导机制尚不清晰。本研究依托15年长期定位试验，设置免耕NTS、旋耕RTS、翻耕CTS三组，采用¹³CO₂脉冲标记小麦、玉米，分1/16/31天采集根际与土体，追踪¹³C在DOC、MBC、POC、MAOC的分配。结果显示小麦季旋耕提升根际¹³C-SOC，玉米季免耕固碳优势突出；全生育期根际¹³C-DOC、¹³C-MBC始终显著高于土体，是稳定MAOC核心前驱物。免耕富集放线菌、子囊菌，降低真菌群落变异度，提升水解/氧化酶比值，减少碳矿化流失；小麦、玉米分别特异性富集Galbitalea、Priestia根际关键菌，直接调控根系碳同化。随机森林证明¹³C-DOC是驱动¹³C-MBC、¹³C-MAOC的首要因子，耕作通过调控氮素、微生物稳定性改变根际碳周转，为华北轮作系统优化固碳耕作模式提供同位素与微生物机制依据。

研究路线

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研究结果

¹³C-DOC与¹³C-MBC时序动态如图5所示，无论小麦还是玉米生长季，根际土壤中标记溶解性有机碳、微生物生物量碳含量均显著高于大块土体，且两类活性碳库含量随标记后时间推移持续下降，证明光合根系沉积碳先快速释放进入DOC，再被微生物同化形成MBC，后续逐步向稳定碳库转化。耕作处理差异显著，小麦生长季31天采样点，旋耕RTS根际¹³C-SOC相比翻耕CTS提升65%；玉米生长季免耕NTS根际¹³C-SOC较翻耕提升99%，两种作物适配最优固碳耕作模式存在明显分异。稳定颗粒与矿物结合¹³C-POC、¹³C-MAOC结果见图6，小麦季三种耕作下总POC、MAOC总量无显著差异，但旋耕处理根系来源¹³C-POC含量最高；玉米季免耕NTS的¹³C-MAOC显著高于旋耕、翻耕，相比CTS提升16%–20%，说明免耕更利于玉米根系碳转化为长效矿物结合稳定碳。所有处理土体中¹³C-POC、¹³C-MAOC均低于根际，证明根际微环境是根系沉积碳稳定转化的核心场所。土壤酶同位素关联结果见图5，根际土壤水解酶/氧化酶比值全部高于土体，免耕条件下该比值提升幅度最大，小麦季根际提升7.3%，玉米季提升6.5%，高水解酶活性促进DOC同化，降低氧化矿化损耗，更多¹³C碳留存于土壤。随机森林模型显示¹³C-DOC是解释¹³C-MBC、¹³C-MAOC变异的第一关键变量，溶解有机碳作为根系碳的中间载体，连接光合输入与微生物、矿物稳定碳库；线性回归显示小麦¹³C-SOC与硝态氮显著正相关，玉米¹³C-SOC与¹³C-DOC呈强线性关系（r2=0.76）。PLS路径模型进一步证实，免耕通过提升真菌群落稳定性、提高水解酶比例，推动¹³C-DOC向¹³C-MBC、¹³C-MAOC逐级转化；根际效应可独立提升全系列¹³C活性碳库含量，但会降低细菌群落稳定性，形成细菌促周转、真菌促固存的碳调控权衡机制。

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图1.（a，b）不同耕作方式对2023年小麦和玉米根际及非根际土壤中¹³C-DOC（溶解性有机碳）和¹³C-MBC（微生物量碳）动态的影响。

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图2.（a，b）不同耕作方式下2023年小麦和玉米土壤颗粒有机碳（POC）、矿物结合有机碳（MAOC）、¹³C-POC和¹³C-MAOC的含量。
参考文献：
[1]Sokol N W, Bradford M A. Microbial formation of stable soil carbon is more efficient from belowground than aboveground input[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(1): 46-53.
[2]Ma K, Huang C, Huang J, et al. Niche differentiation and interaction between earthworm functional groups shape distinct soil carbon fate[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2026: 110257.
[3]Liu W S, Duan H X, Che Y X, et al. Tracing Rhizodeposition Contributions to Soil Organic Carbon under Long-Term Tillage in a Wheat–Maize System Using Stable Isotope Labeling[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2025, 73(44): 28177-28187.




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