秸秆还田通过调控团聚体细菌群落结构与RuBisCO活性促进土壤碳固存的35年田间试验研究

这篇研究通过35年田间定位试验，揭示了秸秆还田配施化肥（NPKS）显著提升0.25–1 mm团聚体中有机碳（SOC）和微生物量碳（MBC）含量，并激活核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）活性（172.92 nmol CO2 g?1 h?1）及cbbL基因丰度（6.26×108 copies g?1）。研究阐明了团聚体微环境通过富集变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）驱动碳固定的微生物机制，为农田碳汇管理提供理论支撑。

　　

秸秆还田对土壤碳组分与团聚体生物活性的影响

长期秸秆还田配施化肥（NPKS）显著提升了水稻-小麦轮作土壤中0.25–1 mm团聚体的有机碳（SOC）和微生物量碳（MBC）含量，分别较单施化肥（NPK）处理增加19.9%–83.8%和112%。这一现象与团聚体内核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）活性峰值（172.92 nmol CO₂ g^?1 h^?1）及cbbL基因丰度（6.27×10⁸ copies g^?1）的协同增强密切相关。相比之下，长期单施化肥导致<0.25 mm微团聚体中细菌多样性下降35.3%，而秸秆还田通过重塑团聚体微环境，使变形菌门（相对丰度提升29.4%）和放线菌门等富营养型细菌成为优势菌群。

团聚体尺寸对微生物调控碳存储的机制

0.25–1 mm宏团聚体因其适宜的孔隙度和养分有效性，成为碳固定的核心场所。结构方程模型（SEM）显示，细菌群落通过正向调控cbbL基因（路径系数0.67）间接提升RuBisCO活性，最终促进SOC积累。冗余分析（RDA）进一步证实，变形菌门与SOC、MBC呈显著正相关，而寡营养型的酸杆菌门（Acidobacteria）在NPK处理的<0.25 mm团聚体中占比增加80.6%，反映出化学肥料导致的酸化压力。值得注意的是，RuBisCO活性与cbbL基因丰度在<0.25 mm团聚体中的解耦现象（NPK处理下活性升高但基因丰度降低），提示酶活性更能反映实际碳同化能力。

微生物群落动态与碳周转的关联

秸秆还田处理的0.25–1 mm团聚体中，细菌α多样性（Ace指数4220）较NPK处理提高8.1%，且显著富集了具有r-策略的放线菌门。这些细菌通过卡尔文循环将CO₂转化为糖类，其代谢产物作为粘结剂促进大团聚体形成，形成“微生物-团聚体-碳固定”的正反馈循环。相比之下，>2 mm团聚体因氧气扩散受限，更适宜硝化螺旋菌门（Nitrospirae）等寡营养菌生存，但其对碳固定的贡献较低。

研究意义与未来方向

该研究首次在35年时间尺度上揭示了稻田土壤团聚体尺寸梯度下碳-微生物互作网络的差异，证实0.25–1 mm团聚体是碳固定的功能热点。未来需结合宏基因组技术探究II型RuBisCO（催化效率为I型的2倍）的潜在作用，以更全面评估农田碳汇潜力。秸秆还田作为兼具生态与经济效益的措施，其推广可助力实现农业碳中和目标。