《Journal of Hazardous Materials》：Microbial necromass carbon links soil carbon sequestration to heavy metal stabilization under long-term fertilization
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•长期施肥导致重金属成分的重新分布。•MNC（微生物死亡碳）是预测施肥土壤中铜（Cu）和镉（Cd）分配的主要指标。•向富营养化微生物类型的转变驱动了微生物周转和死亡物质的形成。•大于0.25毫米（>0.25mm）的土壤大颗粒是MNC和重金属固定（sequestration）的关键
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长期施肥导致重金属成分的重新分布。
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MNC（微生物死亡碳）是预测施肥土壤中铜（Cu）和镉（Cd）分配的主要指标。
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向富营养化微生物类型的转变驱动了微生物周转和死亡物质的形成。
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大于0.25毫米（>0.25mm）的土壤大颗粒是MNC和重金属固定（sequestration）的关键生态位。
引言
施肥是现代农业管理的基石，能够确保土壤肥力和作物产量的持续提升[1]。同时，它也会将重金属（HMs）引入农业生态系统，引发了人们对这些金属在土壤中长期积累的担忧[2]。长期的田间实验一致表明，有机改良剂会增加土壤中的金属总量[3]、[4]。有趣的是，这些重金属的生物可利用性并不总是与投入量成正比，在持续施用有机肥料的情况下可能保持相对稳定[5]、[6]。这种金属总量与生物可利用性之间的差异，对将总金属浓度作为土壤污染风险主要指标的传统做法提出了挑战。
土壤中重金属的环境行为受到物理化学和生物因素的复杂相互作用的影响，其中土壤有机质（SOM）被广泛认为是主要调控因素[7]。重要的是，土壤有机质包含多种具有不同反应性和持久性的功能群[8]。由于溶解有机质（DOM）具有很强的金属络合能力，它在调节金属迁移性方面起着重要作用[9]。然而，DOM的高迁移性和快速周转速度限制了其解释有机施肥土壤中重金属长期稳定性的能力[10]。最近在土壤碳研究方面的进展强调了微生物死亡碳（MNC）——由细菌和真菌生物量的周转产生——是土壤有机质中一个重要且相对持久的组成部分，它与矿物表面密切相关[11]。尽管MNC在土壤碳稳定中的重要性日益凸显，但其是否以及如何促进重金属的形态转变和长期滞留仍大部分未得到解答[12]。
微生物死亡碳含有多种能够与金属离子结合的反应性功能基团，并且主要通过矿物结合和物理保护作用得到稳定[13]。与易分解的植物来源物质不同，死亡碳可以持续存在数十年，这表明它有可能成为有机复合金属的长期储存库[14]。长期有机施肥被认为可以刺激微生物活性并改变微生物群落的组成，从而影响死亡碳库的产生和组成[15]。同时，施肥引起的土壤团聚体形成可能会通过提供物理保护的环境来促进死亡碳和重金属的空间共存[16]。先前的研究报道了团聚体成分中微生物残留物和金属的富集现象，但直接证明死亡碳积累与不同团聚体规模上金属分布之间关系的证据仍然很少[17]、[18]。此外，这些关系是否表现出反映有机亲和力差异的金属特异性模式也尚未得到充分研究[19]、[20]。
在这里，我们提出假设：长期施肥不仅通过改变土壤有机质总量来调控重金属的稳定性，还通过微生物介导的死亡碳途径来影响具有不同有机亲和力的金属。为了验证这一假设，我们进行了一项为期15年的施肥实验，涉及矿物肥料和不同级别的有机肥料投入。我们的目标包括：(i)量化施肥对土壤碳库和重金属积累的影响；(ii)研究不同团聚体大小范围内微生物死亡碳与重金属之间的空间耦合；(iii)利用机器学习和结构方程建模来阐明特定金属的稳定机制。通过整合微生物、生物地球化学和团聚体尺度的证据，这项研究为改善长期施肥农业生态系统中的重金属风险评估和管理提供了机制框架。
章节摘要
研究地点与实验设计
该实验地点位于中国河北省石家庄市（38°07′32″N, 114°23′00″E）。该地区属于温带季风气候，年平均气温为13.8℃，年降水量为741.4毫米。土壤类型为Fluvic Calcic Luvisol，属于粉质粘壤土（WRB分类）。主要农作物种植制度是连续种植玉米和小麦的双季作物系统，玉米在5月播种，9月收割，之后种植小麦。
土壤碳库的重构与微生物死亡碳的积累
与未施肥的对照组相比，施肥显著增加了土壤碳库（Fig. 1，p < 0.05）。具体而言，有机碳（SOC）在矿物肥料处理下增加了44.2%，而在有机肥料处理（CM1–CM3）下增加了101.3–139.8%，其中CM3处理下的增幅最大（Fig. 1a）。溶解有机碳（DOM）也表现出类似的趋势（Fig. 1b）。微生物死亡碳（MNC）的积累顺序为：CM3 > CM2 > CM1 > CF > CK（Fig. 1c，p < 0.05）。与CK相比，MNC在矿物肥料处理下增加了91.7%，而在有机肥料处理下增加了304.0–341.5%。
施肥重构了土壤碳库，同时使重金属积累与生物可利用性脱钩
长期施肥不仅重塑了土壤碳库，还向农业生态系统引入了外源重金属[15]、[29]。化学肥料和有机肥料均显著增加了SOC和DOM，其中有机肥料的效果明显强于单独使用矿物肥料[30]。这种模式反映了有机肥料提供的持续外部碳输入以及对微生物活动和残余物周转的促进作用。
结论
这项长期施肥实验表明，有机改良剂不仅通过增加金属总量来改变重金属的行为，还通过MNC调节其形态。尽管在有机肥料处理下镉（Cd）、铜（Cu）和锌（Zn）的浓度升高，但MNC的积累与这些重金属向更难被生物利用的形式转化有关。团聚体尺度的分析进一步显示，MNC主要富集在大于0.25毫米的土壤大颗粒中。
环境影响
长期施肥增加了农业土壤中的重金属含量，引发了环境风险的担忧。这项研究表明，微生物死亡碳在通过促进重金属转化为毒性较低的形态方面发挥了关键作用。值得注意的是，由于微生物介导的稳定过程，重金属的积累并不一定导致生态风险的增加。这些发现揭示了一个以前被忽视的机制。
作者署名贡献声明
吴世航：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据整理、概念构建。王超：方法设计、实验研究。孙涛：数据可视化、实验分析、统计分析。于慧娟：实验研究。周小佳：统计分析。孙月冰：撰写修订稿、监督工作、资金申请。
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFD1701100）、中国农业科学院创新计划（CAAS-CSGLCA-202302）和天津市自然科学基金项目（25JCZDJC00370）的支持。
吴世航|孙涛|王超|周小佳|于慧娟|孙月冰
