堆肥介导的植物-微生物互作促进草地土壤有机碳固存机制研究

这篇研究揭示了堆肥(compost)施用通过调控植物-微生物互作促进草地土壤有机碳(SOC)固存的关键机制。研究发现堆肥使土壤有效磷(P)翻倍、钾(K)提升33%，并通过降低pH值(0.1单位)激活微生物活性。路径分析(χ2=14.0, p=0.23)表明植物对SOC固存的影响(R2=0.67)完全由微生物群落(尤其是细菌)介导，证实了微生物源输入对草地土壤有机质积累的核心作用。

　　

堆肥介导的植物-微生物互作机制解析

Abstract

有机改良剂如堆肥能显著提升草地生态系统土壤健康与气候变化减缓能力。在美国科罗拉多州冷季型草场的长期定位试验表明，堆肥施用通过双重机制实现净SOC固存：直接提供养分的同时，更关键的是激活了植物-土壤生物的正反馈循环。

INTRODUCTION

全球70%农业用地为放牧草地，其退化已成为重大生态威胁。研究团队前期发现间隔6年的堆肥施用(11.2 Mg ha^-1)能实现0.3 Mg C ha^-1 year^-1的净SOC增长。本文聚焦2018年二次施用后的三年动态，揭示其深层机制。

METHODS

实验设计包含8个重复的100 m²样地，采用液压土壤探针(4 cm直径)分层(0-10 cm和10-20 cm)采样。通过磷脂脂肪酸(PLFA)分析微生物群落，MicroResp系统测定功能多样性。结构方程模型(SEM)解析多因子因果关系。

RESULTS

土壤化学性质

堆肥使0-10 cm土层有效P从0.01增至0.04 g kg^-1(p≤0.01)，交换性K提升33%。伴随pH降低0.1单位，SOC储量三年增长17%，扣除堆肥碳输入后净固存率达0.73 Mg C ha^-1 year^-1。

植物响应

紫花苜蓿(Medicago sativa)相对丰度显著增加，羊茅(Festuca arundinacea)生物量提升28%。Shannon均匀度指数最高增加54%(p=0.002)，但入侵物种旋花(Convolvulus arvensis)未显著扩散。

微生物动态

PLFA显示总微生物生物量延迟至第三年才增加24%(p=0.07)，其中放线菌(actinomycetes)生物量增长41%(p=0.05)。MicroResp检测到木糖(xylose)呼吸活性后期提升27%，暗示对根际沉积物的代谢偏好。

路径分析

最佳拟合模型(χ²=14.0, p=0.23)显示：堆肥→土壤P/K→植物生产力→微生物群落→SOC的传导路径解释了67%变异。值得注意的是，植物对SOC的影响完全由微生物介导。

DISCUSSION

在碱性土壤中，堆肥通过有机酸释放使pH微降，进而活化钙结合态磷。与传统认知不同，放线菌等革兰氏阳性菌而非真菌成为SOC构建主力，这可能与草地频繁割草导致的碳输入方式改变有关。

CONCLUSION

该研究首次证实堆肥在管理草地中通过"植物-细菌"级联反应驱动SOC积累，为发展气候智慧型农业提供了理论依据。后续研究需结合¹³C标记明确不同碳库周转动态。