长期钙肥调控红壤铁氧化物介导的微生物与植物源碳积累机制研究

本研究通过36年田间试验揭示钙肥通过影响红壤铁氧化物形态，降低植物源碳（木质素酚类）积累但维持微生物残体碳稳定，为酸性土壤有机碳（SOC）封存提供了矿物-有机质互作机制的新见解。

　　

亮点

植物源碳随长期钙肥施用量减少

与第一假设相反，钙肥施用对植物源碳的影响大于微生物源碳。在钙处理土壤中，植物源碳在0-10厘米土层中对SOC的贡献率达44%，且随土壤深度增加而降低（图2），表明植物源碳是表层土壤的重要碳源（Angst et al., 2021; Qi et al., 2023; Yu et al., 2025）。钙肥施用降低了植物源碳对SOC的贡献率，这与NPK+Ca处理中SOC含量降低的现象一致。木质素酚类总量及其对SOC贡献的减少主要归因于酸性氧化酶（如过氧化物酶）活性的降低，而非微生物生物量或群落变化。

微生物残体碳对钙肥的响应

钙肥施用下微生物残体碳含量保持稳定，但其对SOC贡献率显著增加（图3）。氨基糖总量在0-40厘米土层中无显著变化，但真菌源碳（葡萄糖胺）与细菌源碳（胞壁酸+Muramic acid）比值在0-20厘米土层中升高，表明真菌残体对SOC贡献更大。钙肥通过促进矿物结合态有机碳（MAOC）中钙结合碳（Ca-OC）的形成，但降低铁铝结合碳（Fe/Al-OC），最终维持微生物残体碳库稳定。

调控因子与机制解析

随机森林分析表明，铁氧化物（Fe_o+Al_o）和β-葡萄糖苷酶（BG）活性是植物源碳的主要调控因子（图4a）。钙肥通过提高土壤pH间接抑制BG和酸性磷酸酶（AP）活性，减缓植物残体转化。微生物残体碳则主要受钙离子（Ca²⁺）和Fe_o+Al_o含量驱动（图4b）。钙肥引发矿物结合形态转换：Fe/Al-OC向Ca-OC迁移，形成Ca-Fe-OC三元复合体，通过矿物重组实现碳稳定。

结论

与NPK施肥相比，36年钙肥实验使植物源碳（木质素酚类）含量降低而微生物残体碳保持稳定，这与初始假设相反。植物源碳减少主因于植物残体转化酶活性下降和铁铝氧化物（Fe_o+Al_o）对SOC吸附能力降低。微生物残体碳的稳定则源于Ca-OC增加与Fe-OC减少的抵消效应，表明钙-铁-有机碳复合体的矿物迁移与相互作用机制。