源自竹子的微生物肥料对土壤碳循环的影响：来自毛竹种植园的宏基因组学见解

《Environmental Technology & Innovation》：Bamboo-sourced Microbial Fertilizers Impact Soil Carbon Cycling: Metagenomic Insights from Moso Bamboo Plantations

有效管理竹林土壤有机碳（SOC）对缓解气候变化至关重要，但微生物肥料（BSMF）调控C循环基因的机制尚不明确。本研究通过元基因组分析，比较了未施肥（CK）、Bacillus subtilis ACP81（ACP81）、Terribacillus goriness CS3（CS3）及两者的混合肥（A+C）对SOC组分的影响。结果表明，A+C显著提高HLOC、MLOC和MAOC含量（分别增加14.98%、68.29%、12.93%），而ACP81和CS3单独使用则降低这些组分。微生物群落分析显示，A+C富集Chloroflexi、Mucoromycota等菌群，且通过影响钾（AK）含量和C循环基因（如uidA、rfbB、coxM）的表达，促进SOC稳定。研究揭示了BSMF通过调节土壤养分和微生物功能驱动C循环的机制，为竹林可持续管理提供新策略。

　　在当今全球对环境保护与可持续发展的重视背景下，土壤有机碳（SOC）的管理成为应对气候变化的重要手段之一。竹林作为中国重要的森林资源之一，其面积达约6.41亿公顷，广泛分布于亚热带和热带地区。竹子不仅具有较高的经济价值，还具备显著的碳固存能力。然而，随着竹林种植面积的扩大和竹笋加工产业的发展，污水排放和废弃物处理问题日益突出，对当地生态环境造成了一定影响。因此，探索有效的废弃物回收利用方法以及提升竹林碳固存能力，成为当前研究的热点。本研究聚焦于竹源微生物肥料（BSMF）对竹林土壤碳循环基因调控及碳储量的影响，旨在为竹林可持续发展提供科学依据。

### 1. 研究背景与意义

竹林生态系统不仅为人类提供了丰富的资源，还在碳循环中扮演了关键角色。然而，过度依赖化学肥料的管理方式可能会降低土壤有机碳的稳定性，进而导致土壤退化。此外，竹笋加工过程中产生的大量废水，不仅造成环境污染，还可能对土壤结构和碳循环产生不利影响。为了缓解这些问题，研究人员开始关注微生物肥料的应用。微生物肥料因其环境友好性和生物活性，被视为化学肥料的有力替代品。通过引入有益微生物，可以促进土壤养分循环、改善土壤结构，并增强碳固存能力。

本研究采用竹林土壤中的微生物资源，通过田间试验评估不同微生物肥料对土壤碳储量、碳循环基因及微生物群落结构的影响。实验选择了三种不同的微生物肥料：单独的* Bacillus subtilis* ACP81、单独的* Terribacillus goriness* CS3，以及两者的混合物（A+C）。研究假设这些微生物肥料能够显著改变竹林土壤中的碳含量和碳循环基因的表达，并探讨其背后的生态机制。这一研究不仅有助于理解微生物肥料在竹林生态系统中的作用，也为竹林的可持续管理和碳固存提供了新的思路。

### 2. 研究方法

为了评估微生物肥料对土壤碳循环的影响，研究团队在浙江省安吉县天欢坪镇进行了一系列田间实验。实验地点具有典型的亚热带季风气候，年均温16.2°C，年降水量1300毫米，适合竹林生长。研究设计了四个处理组：对照组（CK，仅使用清水）、* Bacillus subtilis* ACP81（ACP81）、* Terribacillus goriness* CS3（CS3）以及两者的混合物（A+C）。所有处理均采用自动喷洒设备，按照每平方米4.5毫升的用量，每两周喷洒一次，持续约半年时间。

在实验结束后，研究人员从每个处理组中采集了土壤样本，并通过多种方法分析了土壤的基本性质、碳储量及其不同形态。土壤碳储量被分为高度易分解碳（HLOC）、中度易分解碳（MLOC）、低度易分解碳（LLOC）和颗粒有机碳（POC）以及矿物结合有机碳（MAOC）。这些碳储量的分析采用了高温燃烧法，结合总有机碳（TOC）分析仪进行测量。此外，研究还评估了土壤中与碳循环相关的酶活性，包括β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）和β-纤维素酶（CBH），以了解微生物对碳分解的贡献。

为了研究微生物群落的多样性及其变化，研究团队采用了高通量测序技术，分别对细菌和真菌的16S rRNA和ITS基因区域进行了测序分析。数据经过质量过滤和组装后，进一步利用生物信息学工具进行功能基因注释和微生物群落结构分析。通过LEfSe分析，研究人员筛选出了与不同微生物肥料处理显著相关的微生物类群。同时，使用中性群落模型（NCM）和β-最近邻分类指数（βNTI）等方法，评估了微生物群落的组装过程是受确定性因素（如环境选择）还是随机性因素（如扩散限制）主导。

### 3. 研究结果

实验结果显示，与对照组相比，A+C处理显著提高了土壤中SOC、HLOC、MLOC和MAOC的含量，而ACP81和CS3处理则表现出相反的趋势。这表明混合微生物肥料在提升土壤碳储量方面具有更大的潜力。进一步的分析表明，MAOC在所有处理中对SOC的贡献比例最高，约为86–90%。此外，A+C处理显著提高了MLOC/SOC比值，而其他两种处理则显著降低了LLOC/SOC比值。这些变化可能与微生物肥料对碳分解和固存基因的调控有关。

在微生物群落方面，ACP81处理显著增加了Firmicutes的丰度，而A+C处理则富集了Chloroflexi、Acidothermus和HSB_OF53-F07等微生物类群。CS3处理主要富集了Dactylella、Clavaria和Clitopilus等真菌类群。相比之下，对照组（CK）富集了Clavulinopsis和Ramariopsis等真菌。此外，微生物群落的α多样性（如Chao1和Shannon指数）在ACP81和CS3处理中有所增加，但在A+C处理中没有显著变化。这可能意味着单一菌株对微生物群落的多样性影响更大，而混合菌株则在维持群落结构方面更为稳定。

在碳循环基因方面，A+C处理显著增加了与碳固存相关的基因（如*coxM*和*MAN*）的丰度，而CS3处理则显著富集了与碳分解相关的基因（如*uidA*、*rfbB*、*katG*、*bgaA*、*glcD*和*mttB*）。这些基因的表达变化可能反映了微生物肥料对碳分解和固存过程的调控。此外，研究还发现，土壤中的可利用氮（AN）和可利用钾（AK）含量对碳循环基因的表达具有显著影响，其中AK是碳储量变化的关键驱动因素。

### 4. 研究发现与讨论

研究结果表明，微生物肥料的应用显著改变了竹林土壤中的碳储量和微生物群落结构。其中，A+C处理不仅提高了土壤中各种碳储量的含量，还促进了微生物群落的多样性。这可能是因为混合菌株之间的协同作用，增强了碳循环的稳定性。相比之下，单独使用ACP81或CS3处理则导致了土壤碳储量的减少，这可能与单一菌株对碳分解和固存的调控机制不同有关。

此外，研究还发现，微生物群落的组装过程受到环境因素和碳循环基因的共同影响。在细菌群落中，确定性过程（如均匀选择）是主要的驱动因素，而在真菌群落中，随机性过程（如扩散限制和漂移）更为显著。这表明，微生物肥料对真菌群落的影响可能比对细菌群落更为显著，因为真菌群落的结构更容易受到环境变化的影响。

土壤碳储量的变化与微生物群落的组成和碳循环基因的表达密切相关。研究发现，土壤中的AK含量对碳储量具有显著的正向影响，而AN则可能通过影响AK和微生物群落的组成间接影响碳储量。这一发现为理解土壤碳储量与养分循环之间的关系提供了新的视角。同时，研究还指出，某些碳循环基因（如*melA*、*gumG*和*celF*）与土壤碳储量的增加呈正相关，而其他基因（如*mttB*、*bgaB*和*bglX*）则与碳储量的减少相关。这些基因的表达变化可能反映了微生物对碳分解和固存的调控机制。

### 5. 生态意义与应用前景

本研究的发现具有重要的生态意义。首先，微生物肥料的应用不仅有助于提升竹林土壤的碳储量，还可能通过促进微生物群落的多样性，增强土壤的生态功能。其次，微生物肥料对碳循环基因的调控可能为碳固存提供新的策略。例如，A+C处理通过促进碳固存基因的表达，实现了碳的稳定化和固存，而CS3处理则可能通过增强碳分解基因的表达，导致碳的流失。

此外，研究还发现，土壤中的养分状况（如AK和AN）对碳储量具有重要影响。AK作为关键因素，可能通过促进微生物群落的稳定性和多样性，间接影响碳储量的变化。而AN的减少可能与微生物肥料对氮循环的调控有关，进一步影响土壤的碳循环过程。这些发现为竹林土壤管理提供了科学依据，表明通过优化微生物肥料的配比和使用方式，可以有效提升土壤碳储量，促进竹林的可持续发展。

### 6. 结论

综上所述，本研究通过田间实验和微生物组分析，揭示了微生物肥料对竹林土壤碳储量和碳循环基因的调控作用。A+C处理在提升土壤碳储量方面表现出更显著的效果，这可能与其对碳固存和分解基因的协同作用有关。相比之下，单独使用ACP81或CS3处理则可能导致土壤碳储量的减少，这可能与单一菌株对碳分解的促进作用有关。

本研究不仅填补了微生物肥料在竹林碳循环研究中的空白，还为竹林的可持续管理和碳固存提供了新的思路。通过合理利用微生物肥料，可以有效提升竹林土壤的碳储量，同时减少环境污染，实现生态效益与经济效益的双赢。未来，可以进一步探索微生物肥料在不同竹林类型中的应用效果，并优化其配方，以实现更高效的碳固存和养分循环。