秸秆组织质量通过活体微生物与微生物残体调控黑土有机碳形成路径的研究

本研究针对秸秆还田背景下土壤有机碳（SOC）固存机制不明确的问题，通过13C标记技术探究不同质量秸秆（茎、叶、鞘）对黑土SOC组分（fPOC、oPOC、MAOC）的贡献及微生物驱动机制。结果表明叶片秸秆更易促进MAOC形成，而微生物残体与MAOC呈正相关，为秸秆定向还田提升土壤肥力提供了理论依据。

　　

土壤作为全球最大的陆地有机碳库，其有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）含量直接关系到土壤肥力、作物产量和气候变化调控。在农业生态系统中，秸秆还田被广泛认为是提升SOC固存的重要措施，但不同秸秆组织（如茎、叶、鞘）因其化学特质差异，可能通过截然不同的途径影响SOC的形成与稳定。尤其是在我国东北黑土区（Mollisols），这一“耕地中的大熊猫”正面临有机质下降的严峻挑战，阐明秸秆质量如何通过微生物过程驱动SOC转化，对实现黑土保护和农业可持续发展具有重要意义。

为此，张启林（Qilin Zhang）等研究人员在《Journal of Integrative Agriculture》发表论文，通过为期365天的培养实验，利用13C标记技术追踪了玉米不同部位秸秆（茎ST、叶LE、鞘SH）在黑土中的转化命运，系统解析了秸秆衍生碳（Straw-Derived Carbon, SDC）在土壤不同碳组分（包括游离颗粒有机碳fPOC、闭蓄颗粒有机碳oPOC和矿物结合有机碳MAOC）中的分配规律，并进一步揭示了微生物群落结构、活性和残体在碳转化过程中的作用。

研究主要依托以下关键技术方法：利用13C标记秸秆进行室内培养实验，采用物理-化学联合分组法分离SOC组分，通过磷脂脂肪酸（PLFA）分析监测微生物群落动态，并借助结构方程模型（SEM）量化秸秆化学性质、微生物特性与SOC组分间的因果关系。实验土壤来源于中国东北黑土区，秸秆添加量为1%。

SOC组分对秸秆输入的响应

与不添加秸秆的对照（CK）相比，添加ST、LE和SH均显著提高了SOC、fPOC和MAOC含量，增幅分别为4.8-19.5%、35.7-49.5%和1.6-3.9%。其中，叶片（LE）处理表现最为突出，其SDC-SOC和SDC-MAOC含量分别比ST和SH高出29.1-38.1%和17.5-44.5%，而鞘（SH）的SDC-oPOC比LE高出3.1%。这一结果说明，秸秆质量显著影响碳在土壤中的分配路径，叶片更易于形成稳定的矿物结合碳。

微生物群落与残体动态

PLFA浓度在整个培养期持续下降，表明活体微生物生物量逐渐减少；而微生物残体（necromass）在前中期波动变化，后期则呈现明显上升趋势。这一动态暗示，随着时间推移，微生物由活跃生长转向残体积累，可能成为长期碳固存的重要来源。

秸秆性质、微生物与碳组分的关联机制

结构方程模型（SEM）进一步揭示：茎秆（ST）的木质素氮比（LigN）与SDC-fPOC呈负相关，表明高木质素含量不利于颗粒碳的形成；鞘（SH）处理中细菌多样性与LigN负相关，但与SDC-oPOC正相关，说明微生物多样性可能促进闭蓄颗粒碳的积累；而在叶片（LE）中，微生物残体与SDC-MAOC呈显著正相关，证实了微生物残体是矿物结合碳形成的重要途径。

该研究结论表明，秸秆组织质量通过化学特性（如LigN）直接调控颗粒有机碳（POC）的动态，而矿物结合有机碳（MAOC）的形成则同时依赖于秸秆化学特性和微生物残体积累。这些发现深化了我们对秸秆—微生物—土壤碳循环交互作用的理解，为差异化秸秆还田管理（如优先还田叶片等高质量秸秆）提供了理论依据，对提升黑土肥力、促进秸秆资源化利用及农业低碳发展具有重要实践意义。