碳-铁耦合通过“铁门机制”驱动旱地稻田中养分和微生物过程的转变

《Applied Soil Ecology》：Carbon-Iron coupling drives the shift in nutrient and microbial processes via the iron gate mechanism in dryland paddy fields

碳铁耦合调控黄土高原水稻田土壤酶活性与微生物群落机制研究。

　　在当前全球气候变化的背景下，干旱地区稻田土壤的有机质分解和养分循环受到了显著影响。然而，关于外来碳-铁（C-Fe）相互作用的微生物机制，仍存在许多未解之谜。为了更深入地理解这一现象，研究团队对黄河流域灌溉区的稻田土壤进行了系统研究，探讨了外来碳（如生物炭和秸秆）与铁（如赤铁矿）联合添加对土壤理化性质、胞外酶活性（EEAs）以及微生物群落的影响。研究发现，与对照组（CK）相比，C-Fe耦合显著降低了土壤pH值，同时提高了Fe2?和Fe3?的含量，并增强了土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）的生物可利用性。这一发现揭示了C-Fe相互作用在改善土壤质量和促进微生物活动方面的重要作用。

在具体处理中，秸秆与赤铁矿（SF处理）最有效地促进了TN的积累和铁物种的转化，显著提升了β-1,4-N-乙酰葡糖胺酶（NAG）和过氧化氢酶（CAT）的活性。而生物炭与赤铁矿（BF处理）则在β-葡萄糖苷酶（BG）和碱性磷酸酶（ALP）的活性方面表现出最高的水平，这些酶的活性与SOC和Fe3?呈显著正相关。研究进一步指出，C-Fe协同作用通过一种基于氧化还原的“铁门”机制缓解了厌氧条件下对EEAs的抑制，这一机制主要受到SOC、Fe2?和Fe3?的调控。同时，BF和SF处理显著提高了原核生物群落的α多样性，如Chao1指数增加了3.34%和2.65%，Shannon指数分别增加了12.59%和10.60%（p < 0.05）。这些结果表明，C-Fe的联合应用对土壤微生物多样性具有积极影响。

在微生物群落组成方面，SF处理显著丰富了兼性厌氧菌（如Chloroflexi），而BF处理则更有利于寡营养Patescibacteria的增殖。这种差异可能源于生物炭的高孔隙率和吸附能力，为这些微生物提供了附着面和适宜的生长环境。同时，铁的输入通过改变微环境的氧化还原电位和氧气分布，间接影响了微生物的可用生态位。在属水平上，研究发现某些属如Sphingomonas的相对丰度在处理后显著增加，而Flavisolibacter的丰度则明显减少。这些变化与C-Fe相互作用在动态氧化还原条件下的生态过渡密切相关。

此外，研究还利用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）分析了环境驱动因素对微生物群落的影响。结果表明，土壤理化性质对EEAs的影响最为显著（标准化路径系数b = 0.6948），但对微生物群落的丰度则呈现负相关（b = -0.5208）。这一发现与“酶化学计量理论”相吻合，该理论认为酶的产生直接受到营养物质可利用性的限制。然而，与某些长期施肥实验中发现的土壤性质与微生物群落正相关的结论不同，本研究中发现微生物群落的相对丰度对多样性有负向影响，这可能与短期外来C-Fe输入导致的营养竞争和生态位变化有关。

研究还通过共现网络分析揭示了不同处理下微生物的交互模式。例如，在BF处理中，Bacillus成为高连接度节点，显示出与Altererythrobacter和Brevundimonas的正相关性，表明这些微生物在特定条件下形成了协同作用的网络。这种网络结构的变化可能是由于外来C-Fe输入对土壤微环境的重塑，从而改变了微生物的代谢途径和生态功能。同时，功能预测结果（如PICRUSt2和Tax4Fun）进一步表明，不同处理下微生物的代谢潜力存在显著差异，这可能与营养物质的可用性变化有关。

研究结果表明，C-Fe的联合输入不仅改变了土壤的理化性质，还通过直接刺激酶活性和间接改变微生物群落结构，调节了微生物多样性。这种调节机制对于干旱地区稻田土壤的碳固存和养分管理具有重要的实践意义。然而，由于铁氧化物的转化、有机碳的组成及其在稻田中的长期动态行为具有复杂性，进一步的田间研究需要在不同水稻生长阶段进行，以验证和拓展这些发现。此外，研究还强调了C-Fe相互作用在促进土壤碳和氮循环中的作用，为未来干旱农业生态系统中的土壤改良和生态管理策略提供了科学依据。