长期有机培肥通过重塑团聚体孔隙结构与微生物残体碳回收调控激发效应：来自32年定位施肥试验的证据

《Resources Environment and Sustainability》：Priming effect linked to soil aggregate architecture and fresh carbon retention as microbial necromass under organic amendment: evidence from a 32-year fertilization experiment

　　

激发效应（priming effect, PE）是指新鲜有机质输入所引发的原生土壤有机质分解速率的短期变化，是连接新鲜碳输入与长期土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）动态的关键过程。微生物残体（microbial necromass）作为细菌与真菌死亡生物量，在农业土壤中构成SOC中体量庞大且持久的部分。然而，新鲜碳在微生物残体中的回收比例与激发效应的方向及强度是否协同变化，以及团聚体尺度物理结构对这一过程的调控作用，迄今缺乏直接耦合证据。为此，研究人员依托东北黑土区一个长达32年的定位施肥试验，设置无肥（CK）、单施化肥（NPK）、化肥配施秸秆（NPKS）及化肥配施粪肥（NPKM）四种碳输入模式，结合60天13C-葡萄糖标记培养、扫描电镜（scanning electron microscopy, SEM）、N2吸附孔隙表征及氨基糖单体13C分析（气相色谱-燃烧-同位素比质谱，GC-C-IRMS），系统量化了长期施肥对团聚体孔隙构型、微生物残体形成与回收以及激发效应的影响。结果表明，有机培肥显著重塑团聚体结构，使其趋向更致密、更细小的孔隙网络；粪肥倾向于促进细菌来源残体碳（bacterial necromass carbon, BNC）形成，而秸秆则更有利于真菌来源残体碳（fungal necromass carbon, FNC）形成。有机培肥处理中新鲜碳以微生物残体形式回收的比例显著升高，且该回收率与激发效应呈强负相关。偏最小二乘路径模型（partial least squares path modeling, PLS-PM）显示，微生物残体碳回收率是激发效应最强的直接负向关联因子（β = ?0.82, P < 0.001），团聚体孔隙构型则通过正向关联微生物残体碳回收间接负向关联激发效应。随机森林（random forest, RF）分析进一步将孔隙密度与真菌残体碳回收率识别为激发效应最重要的预测因子。综上，长期有机培肥诱导的团聚体孔隙构型差异与新鲜碳向微生物残体的分配及激发效应响应密切相关，微生物残体回收率是激发效应最强的实测关联变量，孔隙密度与真菌残体碳回收率是预测激发效应响应的关键指标。该研究将长期团聚体结构变化与短期微生物碳分配及激发效应响应相耦合，为理解土壤物理结构与微生物碳分配共同调控土壤碳动态提供了过程视角，对优化农田固碳管理策略具有重要参考价值。

一、研究背景与科学问题

土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）是陆地生态系统中有机碳储量最大的库，也是气候与土壤肥力的核心调节因子。激发效应（priming effect, PE）指新鲜有机质输入引发的原生土壤有机质分解速率的短期变化，正向激发加速原生SOC以CO₂形式释放，负向激发则有利于SOC保留，因此PE是连接新鲜碳输入与长期SOC动态的关键过程。微生物残体（microbial necromass）作为细菌和真菌的死亡生物量，在农业土壤SOC中占据较大且持久的部分。新鲜碳进入土壤后在呼吸与微生物产物（包括残体）形成之间进行分配，微生物残体回收率与PE均反映微生物对新鲜碳输入及周围土壤环境的响应。然而，在长期试验的明确物理背景下，添加碳以残体形式回收的比例很少被量化，团聚体尺度结构在调控激发效应中的作用受到的关注远少于微生物或化学因素，其贡献尚未被充分定量。因此，研究人员依托东北黑土区一个32年定位施肥试验，旨在探究长期施肥制度、团聚体物理构型、微生物残体形成与激发效应方向及强度之间的直接耦合证据。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用32年定位施肥试验提供的四种碳输入模式（CK、NPK、NPKS、NPKM），结合60天¹³C-葡萄糖标记培养、扫描电镜（SEM）与N₂吸附孔隙表征、氨基糖¹³C分析（GC-C-IRMS），系统研究了长期施肥对团聚体孔隙构型的影响、添加¹³C-葡萄糖以微生物残体形式回收的比例，以及这些变量与PE之间的直接和间接统计关联。结果表明，长期有机培肥显著提高团聚体稳定性，并将团聚体孔隙构型重塑为更致密、更细小的孔隙网络；粪肥倾向于促进细菌残体碳（BNC）形成，秸秆则更有利于真菌残体碳（FNC）形成；有机培肥显著提高新鲜碳以微生物残体形式回收的比例，且该回收率与PE呈强负相关。PLS-PM显示微生物残体碳回收率是PE最强的直接负向关联因子，孔隙密度与真菌残体碳回收率是预测PE的关键指标。

三、关键技术方法

研究人员采用干筛法将土壤分为大团聚体（LMA, >2 mm）、小团聚体（SMA, 0.25–2 mm）、微团聚体（MI, 0.053–0.25 mm）和粉黏粒（SC, <0.053 mm）四个粒级；利用扫描电镜（SEM）结合ImageJ定量表面孔隙密度与粗糙度，采用N₂吸附-脱附等温线测定比表面积、总孔隙体积、微孔体积及平均孔径；通过60天¹³C-葡萄糖标记培养结合GC-C-IRMS进行氨基糖单体¹³C分析，量化真菌与细菌来源残体碳的形成与回收；采用PLS-PM与随机森林（RF）分析变量间的统计关联。

四、研究结果

1. 长期施肥重塑团聚体稳定性与孔隙构型

NPKS和NPKM处理的大团聚体（LMA）质量比例显著高于CK和NPK，NPKM的几何平均直径（GMD）、平均重量直径（MWD）和>0.25 mm团聚体比例（R_0.25）均显著高于NPK和CK。扫描电镜显示有机培肥处理团聚体表面更粗糙、孔隙更丰富。定量指标显示，NPKM较NPK孔隙密度提高122.89%，比表面积提高135.23%，微孔体积提高280%，平均孔径降低44.37%。

2. 微生物残体碳回收

有机培肥处理中，NPKS积累最高的真菌残体碳（FNC_glucose，LMA中12.01 mg kg^?1），NPKM积累最高的细菌残体碳（BNC_glucose，LMA中5.67 mg kg^?1）。葡萄糖添加提高了所有处理的真菌/细菌残体比（FNC/BNC）。NPKS的ΔFNC最高，NPKM的ΔBNC最高，NPK出现负的ΔBNC。NPKM的微生物残体碳回收率（MNC_recovery）约为NPK和CK的2.3–2.8倍，有机培肥处理保留了更多葡萄糖来源碳作为微生物残体。

3. CO₂排放动态与激发效应

无葡萄糖组中NPKM和NPKS的累积CO₂排放显著高于NPK和CK。葡萄糖添加后前7天所有处理CO₂释放迅速上升，有机培肥降低了土壤来源和葡萄糖来源CO₂的累积排放。NPK在LMA、SMA和MI粒级中均呈现显著正激发效应（LMA中相对PE为+115.12%），NPKM呈现负激发效应（LMA中相对PE为?25.38%），NPKS的正激发效应显著低于NPK。

4. 孔隙构型、残体与PE的统计关联

PLS-PM（GoF = 0.601）解释了PE方差的88%。微生物残体碳回收率对PE有最强的直接负向路径（β = ?0.82, P < 0.001），原生残体也有显著负向路径（β = ?0.31, P < 0.05）。团聚体孔隙构型对PE的直接路径不显著，而是通过正向关联原生残体和残体回收率间接关联PE。随机森林分析将FNC_recovery和孔隙密度列为PE最重要的预测因子。

五、讨论与结论

研究人员强调，PLS-PM的结构安排并不断言长期施肥通过土壤结构影响微生物群落，而是反映两种时间尺度的串联关系：微生物活动在数十年尺度上构建团聚体，而由此形成的团聚体内孔隙环境在短期碳输入期间约束微生物的碳加工过程。研究指出，微生物残体回收率而非孔隙构型直接关联PE，表明团聚体尺度孔隙模板通过塑造微生物对新鲜碳输入的处理方式间接调控SOC动态。研究结论指出，长期有机培肥显著增强团聚体稳定性、孔隙密度和表面粗糙度，粪肥倾向于促进细菌残体形成，秸秆倾向于促进真菌残体形成；有机培肥显著提高新鲜碳以微生物残体形式回收的比例，该回收率与PE呈强负相关。微生物残体回收率是PE最强的实测关联变量，孔隙密度和真菌残体碳回收率是预测PE响应的关键指标。该研究通过将长期团聚体孔隙构型变化与短期微生物碳分配及PE响应相耦合，为理解土壤物理结构与微生物碳分配共同调控土壤碳动态提供了过程视角，强调孔隙密度和真菌残体碳回收率在缓解正激发效应和增强碳持久性方面的重要性。