植物将大量的光合碳分配到地下用来根系生长、根系呼吸、根系分泌以及支持菌根真菌和固氮细菌等，从而依赖紧密的植物-微生物互作关系换取生长所需的受限土壤养分。可见，在根土界面存在着碳投入和养分吸收的贸易或者权衡关系。模型研究已经表明固氮和非固氮植物、丛枝菌根和外生菌根植物之间获取养分的碳投入差异对于理解它们的竞争优势、丰度以及生产力具有重要作用，但是植物究竟需要向地下投入多少碳来获取养分？目前的实验性证据仍然比较匮乏。
基于此，中科院沈阳应用生态研究所地下生态过程研究团队联合澳大利亚悉尼大学Feike A. Dijkstra团队利用稳定13C和15N同位素示踪技术量化了黑麦草（Lolium perenne）和白三叶草（Trifolium repens）在施磷和不施磷（4 g P m-2）条件下的植物总地下碳投入、氮磷养分吸收以及植物获取养分的地下碳效率（Carbon efficiency for nutrient acquisition, CENA），即单位地下碳投入所能获取的氮磷养分含量。研究发现：（1）近一半的地下碳投入分配给根际呼吸，而37%的地下碳投入用来根系生长，14%的地下碳投入用来根系分泌以及周转；（2）植物从土壤获取养分的CENA是1/14 g N g-1 C，而生物固氮的CENA是1/8 g N g-1 C，表明相比从土壤获取氮，豆科生物固氮是一种碳消耗相对更低的氮获取方式；（3）白三叶草比黑麦草有更高的获取氮和磷的CENA，可能是因为白三叶草产生更大的根际激发效应，促进更多的土壤氮磷释放。磷肥增加了植物获取磷的CENA，但是降低了植物获取氮的CENA，可能原因是磷添加加剧了土壤氮限制，使得植物需要消耗更多的地下碳获取土壤氮。
该研究成果以“Belowground carbon efficiency for nitrogen and phosphorus acquisition varies between Lolium perenne and Trifolium repens and depends on phosphorus fertilization”为题发表在植物学期刊Frontiers in Plant Science（IF=6.627）。中科院沈阳应用生态研究所地下生态过程组助理研究员卢佳禹为第一作者，王朋研究员为通讯作者。该研究得到澳大利亚研究委员会、国家自然科学基金项目资助。
图1 黑麦草和白三叶草在加磷和不加磷处理下的地下碳分配
图2 黑麦草和白三叶草在加磷和不加磷处理下获取氮磷的CENA
