文献解读：秸秆还田条件下氮肥对土壤有机碳的吸收主要通过微生物残体的形成

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2023.109223

摘要：

碳（C）和氮（N）输入对农业生态系统土壤有机碳（SOC）的形成、周转和固存具有重要影响。然而，尚不清楚N输入如何调节秸秆还田下植物和微生物来源的C对有机碳固存的贡献。为了填补这一空白，基于一项18年的秸秆还田和施氮肥的田间定位试验，通过测定植物和微生物生物标志物以及酶活性，试图解释以上科学问题。秸秆还田和施N分别使土壤有机碳含量提高20%和10%。秸秆还田使总木质素酚（主要是香兰素和丁香基）在SOC中所占的比例提高了16%，而肉桂基在SOC中所占的比例降低了7.5%。这意味着一些植物残体被选择性保存，而稳定性不如肉桂基的化合物容易分解。秸秆还田增加了秸秆的磷脂脂肪酸（PLFA）含量和酶活性，表明秸秆分解速度加快。从氨基糖含量来看，秸秆还田没有改变微生物残体占土壤SOC的比例。木质素和氨基糖共同决定了秸秆还田条件下植物源C和微生物源C的对SOC固存的稳定贡献。施N使土壤SOC中微生物残体（尤其是细菌残体）C的比例增加了6%，从而降低了植物残体对土壤SOC的贡献。因此，施氮加速了微生物对秸秆的利用，导致微生物残体的形成。从PLFA组成来看，子囊菌门和担子菌门、放线菌门和革兰氏阴性菌是形成微生物残体的关键菌群，从而形成SOC。施N增加了N获取酶活性，促进了微生物残体参与养分循环，从而促进了植物和微生物的生长。    

总体而言，秸秆还田同时增加了植物和微生物来源的C，而施N刺激了微生物生长和酶活性，从而加速了秸秆向微生物残体的转化。

研究背景：

增加农田土壤有机碳（SOC）的固存对保持和提高土壤肥力以及通过减少二氧化碳排放来调节气候变暖至关重要。有机碳基本上来源于植物，并通过复杂的生物和非生物过程在土壤中稳定下来。木质素具有化学持久性，极低的能量可用性和较长的周转时间，通常被用作植物残留物的生物标志物。然而，越来越多的研究表明，这种顽固性木质素在分解初期可以被快速分解，受矿物或团聚体的保护较少。可接近的植物残体可以通过微生物在体内的周转转化为微生物来源的C。微生物衍生C的积累最近被认为与植物残留物同等重要，在某些情况下甚至更重要。更重要的是，微生物残体与土壤矿物基质密切相关并相互作用，形成相对持久的有机-矿物组合。因此，微生物残体C往往比植物源C更稳定。因此，明确植物源C（植物残体）和微生物源C（微生物残体）对SOC的贡献是确定有机碳形成机制的关键步骤。

植物和微生物来源的C对农田有机碳的贡献可受到人类活动的影响。例如，秸秆还田是一种C投入远高于农田残茬C投入的管理制度。这样的植物残留物必须被酶降解为相对较小的单体或低聚物，才能通过微生物的细胞壁进行主动运输。此外，新鲜植物残留物可能引发启动效应，加速土壤有机质周转。特别是秸秆的高C:N会刺激微生物挖掘高氮含量的有机质（如微生物残体）来平衡氮需求。因此，秸秆还田可能导致植物源C对SOC的贡献增加，但仍缺乏直接证据。施氮维持了秸秆还田条件下C:N的平衡，从而防止了氮利用引起的微生物残体的分解。此外，施氮还可能诱发续埋效应：加速植物残体转化为稳定的微生物产物，导致SOC中微生物来源的C增加。然而，秸秆还田和氮肥之间的相互作用如何调节植物源碳和微生物源碳对SOC的贡献仍不清楚。    

微生物和胞外酶活性决定了植物残体向微生物C的转化。秸秆还田和氮肥改变了真菌与细菌的共生和竞争关系。秸秆富含木质素和纤维素等高C:N的物质，有利于真菌生长，而氮肥可以提供有效氮，平衡秸秆的高C:N比，从而提高细菌对低分子量植物残体的利用。真菌和细菌对植物残体的选择性降解可能加速植物残体的分解。反过来，活跃的微生物和较高的酶活性诱导植物源C快速转化为微生物源C。说明秸秆还田与施氮的交互作用可能增加微生物源C对SOC的贡献。相反，真菌和细菌的快速生长导致它们之间的竞争，从而削弱了它们利用底物的能力。总之，微生物群落和活性对秸秆和氮输入的不同响应增加了秸秆向微生物残体转化的不确定性。

为了解释以上问题，本研究在黄土旱塬进行了为期18年的田间试验，目的在于：1）量化秸秆还田和施氮条件下农田植物源C和微生物源C对SOC的贡献；2）确定植物残体转化为微生物残体的微生物机制。为了实现这些目标，木质素酚和氨基糖分别用于评估土壤中植物来源的C和微生物来源的C。测定了磷脂脂肪酸（PLFA）和C-和N-获取酶的活性，以评估微生物群落组成和活性。本研究中田间试验采用双因素随机区组设计。2个因子为小麦秸秆还田（Str）和施氮量（N），均为3个水平（表1）。共有36个地块（9个处理× 4个重复）。

表1 试验处理设计，秸秆和氮肥投入量

主要研究结果：

1、土壤有机碳含量和碳氮比

与Str0N0相比，秸秆还田和施氮可使SOC含量提高4.8% ~ 38.4%（图1）。秸秆还田率高时，秸秆还田率的增加效果较其他还田率显著（Str0 < Str7.5 < Str15）。与未施氮相比，施氮（N120和N240）使SOC含量分别提高8.4%和11%。秸秆还田对SOC含量的影响大于氮肥。秸秆还田土壤的C:N比高于不还田土壤，但施氮对C:N没有影响。    

图1 长期秸秆还田和施氮对土壤有机碳含量和碳氮比的影响

2、土壤有机碳中的木质素酚类

与无秸秆还田（Str0）相比，秸秆还田（Str7.5和Str15）提高了总木质素酚、v型和s型酚的含量及其在有机碳中的比例（Str0 < Str7.5 < Str15，图2）。Str15处理下c型酚含量高于Str7.5和Str0处理，而Str7.5和Str15处理下SOC中c型酚的比例低于Str0处理。因此，秸秆还田增加了v型和S型酚对土壤有机碳的贡献，而降低了c型酚对土壤有机碳的贡献。秸秆还田以及秸秆还田与氮肥的相互作用影响木质素的生物转化（图3）。与Str0相比，秸秆还田使Str7.5和Str15处理的c型: v型比分别降低24%和28%。施氮量不同，Str0N240处理下s型: v型比值高于Str0N120和Str0N0处理，Str7.5和Str15处理下s型: v型比值相近。此外，(Ad/Al)V和(Ad/Al)S比值随着秸秆还田量的增加而降低（图3），与V型和S型酚含量分别呈负相关。N240处理下的(Ad/Al)S比低于N0处理。

图2 长期秸秆还田和施氮对土壤中总的和单体木质素酚含量以及有机碳中总的和单体木质素酚比例的影响    

图3 长期秸秆还田和施氮对木质素生物转化降解的影响

3、土壤有机碳中的微生物残体C

与Str0N0相比，秸秆还土和施氮分别使真菌残体C和细菌残体C含量增加2.2% ~ 35.9%和13.8% ~ 68.4%（图4）。秸秆还田（Str0 < Str7.5 < Str15）和施氮（N0图5）。      

图4 长期秸秆还田和施氮对真菌、细菌残体C和最大残体C含量的影响

图5 利用随机森林模型表示中木质素酚类和微生物残体C的相对重要性

4、微生物群落组成和酶活性

秸秆还田和施氮增加了PLFA含量，改变了微生物群落组成（表2）。Str7.5和Str15处理下子囊菌门、担子菌门、放线菌门和革兰氏阴性菌的PLFA均高于Str0处理。同样，N120和N240处理比N0处理要高。施氮量对子囊菌群和担子菌群AMF比例的影响大于秸秆还田。真菌残体C随着子囊菌门、担子菌门和AMF的PLFAs增加而增加（图6），而细菌残体C随着放线菌门、革兰氏阴性菌和厚壁菌门的生物量增加而增加（图6）。土壤酶活性随秸秆还田和施氮而增加（表3）。秸秆还田对BG和LAP的影响较大，施氮对XYL、CBH和NAG的影响较大。真菌和细菌残体C对NAG和LAP有积极影响（图6）。    

表2 长期秸秆还田和施氮对PLFA浓度和微生物群落组成的影响

表3 长期秸秆还田和施氮对酶活性的影响

图6 微生物残体C与PLFA或N-获取酶活性的Spearman相关性

结论：

本研究通过18年的田间试验，证明了秸秆还田和施氮条件下植物和微生物来源的碳在有机碳固存中的作用。尽管秸秆还田对有机碳固存有很强的促进作用，但它并没有改变植物残体或微生物残体对有机碳的贡献。相比之下，施氮促进了放线菌、革兰氏阴性菌、子囊菌和担子菌的生长，提高了酶的活性，加速了植物残体向微生物残体的转化。因此，氮肥主要通过加速微生物残体的积累来构建有机碳。微生物残体的大量积累增加了N-获取酶的活性，从而反过来促进了微生物残体的分解。总体而言，对活微生物生物量（PLFA）、微生物残体（氨基糖）和植物残体生物量（木质素酚）的生物标志物进行综合分析，使我们能够追踪植物残体转化为微生物生物量和残体的形成，并证明微生物对有机碳固存的重要性。