有机替代施肥下微生物生活史策略驱动土壤碳稳定的平衡之道：产量导向与获取导向代谢的权衡

《Applied Soil Ecology》：Microbial life-history strategies drive soil carbon stabilization under balanced organic substitution: Trade-offs between yield- and acquisition-oriented metabolisms

本研究发现50%有机替代（NPM）通过上调以变形菌门（Proteobacteria）为主的群落中木质素降解CAZymes（如GH3、AA2）和胞外多糖合成基因，促进植物源木质素向微生物残体碳（MNC）转化；而100%替代（M）则因氮限制诱导微生物转向资源获取策略（A-strategy），通过肽聚糖分解（GH25、NAG）削弱矿物结合有机碳（MAOC）稳定性。研究揭示了微生物生活史策略在调控土壤有机碳（SOC）稳定性中的核心作用，为旱地农业可持续管理提供了理论依据。

　　

Highlight

有机替代显著提升了微生物残体碳（MNC）和木质素酚的积累。与单施化肥（NP）相比，50%有机替代（NPM）处理的MNC增加了23.0%。功能基因分析表明，NPM处理上调了以变形菌门（Proteobacteria）为主导的微生物群落中的木质素降解CAZymes（例如GH3、AA2）和胞外多糖生物合成基因，从而加速了植物源木质素向微生物残体的转化。相比之下，100%有机替代（M）引发了氮限制，通过肽聚糖分解（GH25、NAG）促使微生物策略转向资源获取（A-策略）。这促进了不稳定碳的竞争性替代，导致矿物结合有机碳（MAOC）的稳定性相较于不施肥对照（CK）有所下降。尽管M处理土壤的总SOC较高，但由于微生物-矿物协同作用被扰乱，MAOC与SOC的比率降低了21.3%。这些发现证明，50%的粪肥替代能最优地平衡碳输入和养分有效性，提高微生物生长效率，并通过微生物-矿物协同作用稳定SOC。

Discussion

先前的研究已证实，有机改良主要通过增加碳输入或调节微生物生物量来增强SOC储存。然而，微生物生活史策略在不同替代比例下介导SOC稳定的作用仍不清楚。值得注意的是，Liang等人强调了微生物合成代谢是SOC形成的关键途径，但有机替代如何通过微生物生活史权衡（即Y-策略与A-策略）来调控这一过程尚不明确。我们的研究结果表明，50%有机替代（NPM）创造了一个平衡的营养环境，有利于生长产量导向（Y-策略）的微生物，其特征是更高的微生物生长效率和微生物残体碳（MNC）对矿物结合有机碳（MAOC）库的贡献。相反，100%替代（M）导致的氮限制促使微生物转向资源获取策略（A-策略），其特征是更高的分解代谢酶活性（例如与肽聚糖分解相关的GH25），这可能会破坏微生物残体与矿物的结合，从而降低MAOC的稳定性。这些发现揭示了微生物代谢策略在决定有机替代施肥下SOC稳定性方面的新机制，强调了平衡养分供应对于促进有益微生物策略和长期碳封存的重要性。

Conclusions

总之，本研究表明，50%的有机替代通过优化微生物生活史策略，特别是促进产量导向（Y-策略）和微生物-矿物协同作用，来增强SOC稳定性。这些发现为维持农业生态系统长期土壤健康和生产力提供了理论基础。具体而言，结果表明，50%有机替代所提供的平衡营养环境有利于生长产量（Y-策略）微生物的主导地位，从而促进植物源碳向微生物生物量的有效转化，并增加微生物残体碳对稳定SOC库（尤其是MAOC）的贡献。相比之下，100%有机替代引起的养分不平衡会引发资源获取（A-策略）代谢，通过分解代谢过程破坏微生物-矿物的相互作用，从而损害SOC稳定性。因此，建议在旱地农业生态系统中采用部分（例如50%）而非完全有机替代，以协同实现作物生产、土壤肥力和气候减缓目标。未来的研究应探索在不同土壤类型和气候条件下驱动这些微生物策略转变的具体阈值。