有机-无机配施施肥调控土壤微生物群落光合碳利用的机制研究

《Geodesy and Geodynamics》：Effects of fertilization regimes on active microbial groups in photosynthetic carbon utilization

本研究针对长期不同施肥 regime 下土壤微生物对光合碳利用的机制尚不明确的问题，通过原位 13CO2 脉冲标记技术，结合 13C-PLFA 分析，揭示了有机-无机配施（MNPK）通过提升真菌介导的碳利用过程，显著增强土壤碳固存。该研究为优化农业施肥策略、促进土壤健康与碳循环提供了重要理论依据。

　　

在农业生态系统中，施肥是维持和增加土壤碳库的关键措施，但土壤微生物如何利用植物通过根系沉积释放的光合碳，仍是当前研究的薄弱环节。植物将近一半新固定的光合碳分配给根系，其中相当一部分以根沉积形式进入土壤，成为微生物的重要碳源。然而，不同施肥制度如何影响光合碳在植物-土壤系统中的分配，以及特定微生物类群对根沉积碳的利用策略，尚不清楚。明确这些问题对于理解农业管理措施下的碳循环过程及土壤碳固存潜力具有重要意义。

为此，张思雨等研究人员在华北平原一个五年的小麦-玉米轮作田间试验基地，设置了不施肥（CK）、单施有机肥（M）、单施化肥（NPK）和有机无机配施（MNPK）四种处理，利用原位¹³CO₂脉冲标记技术，在玉米拔节期进行标记，并在标记后第1、7、21天采集植物和土壤样品。通过测定植物、土壤及磷脂脂肪酸（PLFA）中的δ¹³C值，分析了¹³C在植物-土壤系统中的分配格局，并利用¹³C-PLFA技术追踪了不同微生物类群（革兰氏阳性菌G+、革兰氏阴性菌G-、真菌、放线菌）对根沉积碳的利用动态。该研究旨在阐明施肥制度如何通过改变微生物群落结构影响光合碳的利用效率，并检验有机无机配施能增强真菌在碳利用过程中的作用的假设。

本研究主要应用了以下关键技术方法：依托位于天津的五年施肥定位试验场，采用完全随机区组设计；利用原位¹³CO₂脉冲标记系统在作物生长关键期进行碳同位素标记；通过同位素比值质谱（IRMS）分析植物、土壤样品的δ¹³C值；采用磷脂脂肪酸（PLFA）提取与气相色谱-燃烧-同位素比值质谱（GC-C-IRMS）联用技术，分析微生物群落结构及其利用的¹³C；并运用主成分分析（PCA）等统计方法分析数据。

3.1. 不同施肥制度下植物-土壤系统的¹³C分配

结果表明，施肥和采样时间及其交互作用显著影响了¹³C在植物-土壤系统中的分配。MNPK和NPK处理显著增加了地上部、根系、土壤及整个系统中的净固定¹³C量，这主要归因于植株生物量的增加以及土壤有效磷和硝态氮含量的提高。CK处理在标记后第1天土壤中的¹³C含量最高，可能与养分胁迫下根系分泌增加有关。

3.2. 新固定碳向PLFAs的输入

¹³C-PLFA的含量随时间推移在所有处理中均呈下降趋势。CK和NPK处理在标记后第1天的¹³C-PLFA含量显著高于M和MNPK处理。M处理由于有机肥的添加可能引发负激发效应，降低了微生物对根沉积¹³C的利用。

3.3. 微生物利用光合碳的能力

真菌在所有微生物类群中表现出最高的光合碳获取能力。MNPK处理下，真菌的碳利用能力在第21天显著增加，而NPK处理下则在早期较高。单施有机肥（M）降低了所有微生物类群对光合¹³C的利用能力。

3.4. 不同施肥处理下新固定碳向各微生物类群的输入

MNPK处理提高了真菌PLFA中¹³C的比例和真菌:细菌（F:B）比值，且在第21天达到最高。G+细菌的¹³C分配随时间增加，而G-细菌则相反，导致G+:G-比值在所有处理中随时间上升，且在MNPK处理中最高。主成分分析表明，真菌生物标志物（如18:2ω6c）与MNPK处理在后期显著相关。

3.5. ¹³C输入与¹³C-PLFA的相关性

¹³C-PLFA与土壤中地下部¹³C输入量呈显著正相关。在第21天，土壤中的¹³C滞留量与F:B比值呈显著正相关，表明后期较高的真菌比例有利于土壤碳的固存。

研究结论表明，有机无机配施（MNPK）和单施化肥（NPK）均能通过促进植物生长和改善土壤养分状况来增加光合碳在植物-土壤系统中的固定。更为重要的是，MNPK处理显著增强了真菌在根沉积碳利用过程中的作用，表现为后期真菌¹³C同化量和F:B比值的升高，这与土壤¹³C滞留量呈正相关，说明真菌主导的碳过程有利于碳的长期稳定。同时，施肥制度改变了细菌群落对碳的利用策略，G-细菌在早期和养分限制条件下（如CK和M处理）更活跃，而G+细菌和放线菌在养分充足的MNPK和NPK处理中后期作用增强。这些发现阐明了不同施肥制度下，根沉积碳在微生物功能类群间的分配规律，揭示了有机无机配施通过促进真菌介导的后期分解过程来提升土壤碳固存潜力的微生物机制，为制定旨在增强土壤生态系统碳汇功能的农业管理措施提供了重要的科学依据。该研究深化了对农业措施调控下微生物介导的碳循环过程的理解。