长期土地利用塑造热带土壤有机碳、微生物残体碳及微生物碳处理潜力

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Long-term land use shapes soil organic carbon, microbial necromass, and microbial carbon-processing potential in tropical soils

　　

长期土地利用塑造热带土壤的有机碳、微生物残体碳及微生物碳处理潜力。在各类土地利用方式下，热带土壤中的微生物残体碳（microbial necromass-C）占土壤有机碳（SOC）的50–60%。牧场和作物-牲畜-森林一体化系统（CLFi）具有最高的SOC和残体碳累积量。不同土地利用系统在预测的微生物碳处理策略上存在差异。一体化系统表现出情境依赖的微生物残体碳累积特征。系统设计和管理强度可能影响SOC和微生物残体碳（MNC）的累积。

土壤有机碳（SOC）的稳定性与微生物驱动的碳转化过程密切相关。尽管综合农业系统（IASs）被广泛认为能够提升热带土壤的碳储量，但新增碳能否长期留存，取决于微生物对有机碳的处理方式，而非仅仅取决于碳输入量。微生物残体碳（MNC）作为微生物代谢和死亡的产物，是土壤中持久性碳库的重要组成部分，但不同土地利用系统如何通过调控微生物群落结构与功能潜力来影响MNC积累，仍不清楚。为此，研究人员依托2011年建立于巴西马托格罗索州欣普市（Sinop, Mato Grosso, Brazil）的长期田间试验（Embrapa Agrossilvipastoril试验站），选取5种对比鲜明的土地利用系统：单一种植系统（Crop）、桉树人工林（Eucalyptus）、作物-牲畜一体化（CLi）、作物-牲畜-森林一体化（CLFi）和永久牧场（Pasture），在0–10 cm土层采集样本，每个处理9个空间重复，系统分析了土壤理化性质、SOC、氨基糖来源的微生物残体碳（包括真菌残体碳FNC与细菌残体碳BNC）、真菌和细菌群落组成及预测功能，并进一步解析了MNC与SOC的关系。研究结果表明，经过12年不同管理，土地利用系统显著改变了SOC和MNC含量，其中Pasture和CLFi的SOC与MNC最高，Crop和CLi最低，Eucalyptus居中；MNC占SOC的比例在所有系统中均高达49.7%–58.6%，且真菌残体碳占MNC的78%–82%，凸显了真菌残体对热带土壤碳库的重要贡献。回归分析显示，SOC与MNC的关联强度因系统而异，Crop和CLi中两者高度相关，而Pasture中相关较弱，说明不同系统存在不同的碳稳定化路径。主成分分析进一步表明，MNC组分与SOC及主要土壤化学性质共同构成了区分土地利用系统的主要梯度。

在微生物功能潜力方面，真菌群落以含有腐生营养型（saprotrophic）的生态型为主导，但不同系统中严格腐生型与混合营养型的比例存在差异；预测的细菌功能谱表现出更清晰的分异，Crop富集与易利用底物快速代谢相关的酶功能（如醌蛋白葡萄糖脱氢酶、丙酮酸氧化酶），Eucalyptus富集与芳香族化合物和复杂植物源底物降解相关的酶功能（如原儿茶酸3,4-双加氧酶、香草酸单加氧酶），Pasture则富集与纤维素、半纤维素等结构多糖降解相关的酶功能（如纤维素酶、木聚糖酶、β-半乳糖苷酶），CLi仅有少量判别性功能，CLFi未检测到显著性判别功能，提示多样化系统中多种代谢策略并存。微生物群落组成和α多样性亦存在系统间差异，随机森林分析识别出与各系统关联的指示性属，其中牧场相关的放线菌门成员（如Micromonospora、Kribbella、Cellulomonas等）与MNC、SOC呈显著正相关，与牧场中检测到的结构多糖降解功能潜力相呼应。

研究人员指出，土地利用对SOC和MNC的影响并非仅由输入碳量决定，而是通过土壤肥力、微生物群落结构及碳处理潜力的共同塑造而实现。多样化并非总能促进微生物残体碳积累，CLi和CLFi的差异表明，系统设计和管理强度（如收获和放牧导致的碳氮输出）可能比单纯多样化更具决定性。MNC约占SOC一半以上，证明微生物源碳是热带土壤有机碳库的主体组分；但MNC与SOC关系的情境依赖性表明，当土壤矿物吸附和团聚体物理保护趋于饱和时，额外微生物残体碳可能难以按比例转化为稳定的SOC。研究结论强调，长期土地利用通过调控有机输入、土壤条件、微生物群落和碳处理潜力的相互作用，最终决定了SOC和微生物残体碳的累积结局；其中，微生物残体碳是连接微生物处理与SOC保持的重要潜在途径，而系统设计和管理强度是关键的调节因子。由于功能预测基于群落组成推断，且碳滞留时间未被直接量化，所述关系应视为潜在功能关联而非直接证据；未来需将深层土壤采样、团聚体分级、酶活性测定、宏转录组学与稳定同位素示踪等方法整合起来，以进一步验证微生物碳泵机制在热带土壤中的实际贡献。