养分输入通过调控微生物合成代谢策略重塑秸秆和原生土壤有机碳的微生物处理

《Applied Soil Ecology》：Nutrient inputs reshape microbial processing of straw and native soil organic carbon by modulating microbial anabolic strategies

　　

•养分输入以时间依赖的方式调控秸秆碳的同化作用。
•在养分限制条件下，微生物采取低活性的维持策略。
•养分供给加速了微生物的生长 - 死亡循环和快速碳周转。
•秸秆加养分输入驱动着原生土壤有机碳向微生物残体的转化。
•养分供给通过微生物同化作用代谢策略调控土壤有机碳动态。

引言
保存和增强农业土壤中土壤有机碳（SOC）储量对于缓解气候变化和确保粮食安全至关重要（Zhao et al., 2018; Lehmann et al., 2020）。作物秸秆是一种重要的有机物质，将作物秸秆还田通常被推荐用于维持或增加农业生态系统的有机碳固存（Freibauer et al., 2004; Zhao et al., 2018）。然而，秸秆添加对 SOC 的影响方向和幅度很大程度上取决于土壤微生物的分解代谢和同化代谢活动（Schimel and Schaeffer, 2012; Shahbaz et al., 2017; Liang et al., 2017）。微生物在分解植物残体过程中对 SOC 转化起着双重作用，即通过分解代谢矿化引起碳损失（Blagodatskaya and Kuzyakov, 2008）以及通过同化代谢和随后的残体积累实现碳增益（Schimel and Schaeffer, 2012; Liang et al., 2017）。近年来，同化过程（被 Liang 等人概念化为土壤微生物碳泵（MCP））在 SOC 形成和稳定化中的重要性日益受到认可（Sokol et al., 2022; Wang et al., 2023; Zhu et al., 2023）。通过 MCP 通道，微生物不断产生微生物来源的碳（主要以残体形式），并直接改变流向稳定 SOC 库的碳通量（Liang et al., 2019; K?stner et al., 2021）。尽管已有大量关于秸秆添加对 SOC 动态响应的研究，但关于秸秆如何影响微生物同化过程以及秸秆来源碳通过 MCP 转化为 SOC 的程度仍不清楚。这对于制定适当的秸秆管理策略以实现 SOC 增加至关重要且亟需探索（Shahbaz et al., 2017; Fang et al., 2018; Zhu et al., 2023）。

微生物在土壤中通常受碳限制，其中大多数处于休眠或无活性状态（Joergensen and Wichern, 2018）。作物秸秆是土壤微生物碳和能量的主要来源。因此，添加作物秸秆可刺激微生物生长和繁殖，因为缓解了碳源限制（Fontaine et al., 2011; Kirkby et al., 2013; Fang et al., 2018）。这通常与微生物残体产生增加和更大的 SOC 储存相关（Wang et al., 2021a; Ding et al., 2023; Zhu et al., 2023），表明微生物响应、残体形成与最终 SOC 固存之间紧密相连。因此，揭示微生物生理特征（如碳利用效率）与残体形成之间的联系对于基于过程地理解微生物同化功能在介导 SOC 动态中的作用至关重要（Manzoni et al., 2017; Shao et al., 2019; Luo et al., 2022）。然而，缺乏将改变的微生物同化作用与秸秆添加后潜在 SOC 固存联系起来的直接证据。结合微生物生物标志物分析的稳定同位素探测技术（Glaser and Gross, 2005; He et al., 2011; Gunina et al., 2017; Joergensen, 2018）为探索这一问题提供了有力工具。磷脂脂肪酸（PLFAs）是细胞膜的组成部分，被广泛用作存活微生物存在的指标（Frosteg?rd et al., 2011）。此外，氨基糖作为微生物细胞壁的关键成分，由于其在土壤中转归慢，可作为可靠的微生物残体生物标志物（Amelung et al., 2008）。通过结合同位素追踪技术与 PLFAs 和氨基糖生物标志物分析，我们可以通过追踪碳流向微生物生物量、残体产生后及其在土壤中的保留情况，将秸秆引起的 SOC 动态与详细的微生物同化过程联系起来（Gunina et al., 2017; K?stner et al., 2021）。这种联合方法已被证明对于追踪添加碳在土壤中的足迹至关重要（Sokol et al., 2022; Camenzind et al., 2023）。

作物秸秆通常富含碳但氮（N）和磷（P）有限，其添加可能导致底物与微生物养分需求之间的化学计量碳和养分失衡（Manzoni et al., 2012; Mooshammer et al., 2014）。因此，养分有效性（主要是 N 和 P）被认为是影响微生物对添加碳利用的关键因素（Manzoni et al., 2017; Ma et al., 2023），并进而改变 SOC 储存（Poeplau et al., 2019; Mou et al., 2023）。然而，养分通过微生物代谢对 SOC 固存的影响不一致，一些研究报告养分添加下残体增加，而另一些显示由于残体周转加速导致积累减少（Kirkby et al., 2013; Poeplau et al., 2016）。微生物可能会通过调整代谢策略（如碳利用效率和胞外酶产生）来改变碳分配的主要途径，以适应环境养分状况的变化（Chen et al., 2019; Soares and Rousk, 2019; Meyer et al., 2023）。例如，当单独添加作物秸秆（无额外无机养分输入）时，微生物主要通过矿化预先存在的土壤有机质（SOM）来捕食养分，以优化和维持其生长（Blagodatskaya and Kuzyakov, 2008; Fontaine et al., 2011）。在这种情况下，微生物将更多碳投资于呼吸维持和胞外酶产生，而非细胞生长（Buckeridge et al., 2020）。这通常与低碳利用效率（Roller and Schmidt, 2015; Soares and Rousk, 2019）以及在此情况下微生物残体形成减少和残体积累效率降低有关（Cai et al., 2022; Ma et al., 2023）。然而，在养分限制条件下，微生物也可以通过细胞内代谢有效回收养分，而不引起微生物生长和死亡的净变化（Peter, 2007; Chen et al., 2019），这可能导致微生物残体无显著变化。在秸秆改良伴随无机养分供给的条件下，由于养分限制缓解，微生物可以更有效地利用添加的碳进行生长（Schimel and Weintraub, 2003），导致微生物残体积累更高（Liao et al., 2020; Camenzind et al., 2023; Zhang et al., 2024）。然而，也观察到养分添加后微生物残体积累减少，因为酶活性增强加速了残体回收（Shahbaz et al., 2017; Yuan et al., 2021）。这些分歧响应增加了预测有无养分供给下微生物对秸秆添加反应的 不确定性（Kirkby et al., 2013; Poeplau et al., 2016），并阻碍了对养分在调节微生物驱动的 SOC 固存过程中作用的评估（Ma et al., 2023; Mou et al., 2023）。需要更详细地了解养分输入如何通过同化途径调节微生物将秸秆碳转化为 SOC 以及其潜在机制，以建立有助于秸秆还田农田碳固存的养分管理。多种机制可能支撑养分对微生物碳处理的调节，这可能取决于微生物生长、资源获取和碳保留之间的战略平衡——这一假说仍待检验和验证。

此外，当前调查通常考察植物来源碳的微生物处理，而原生 SOC 转化为微生物残体的潜力在很大程度上被忽视。这种忽视阻碍了对 MCP 整体效率及其对 SOC 动态净效应的全面评估。事实上，植物凋落物应主要被视为能量输入（Gunina and Kuzyakov, 2022），微生物可利用它来推动预先存在的 SOM 矿化（Kirkby et al., 2013）。尽管秸秆对原生 SOC 矿化的激发效应已被广泛研究，但其驱动原生 SOC 进入微生物残体的作用仍不清楚。正如 13C 标记底物添加研究所显示，激发部分伴随着明显的微生物生长，证据是 13C 底物和原生土壤来源碳同时被掺入磷脂脂肪酸中（Nottingham et al., 2009）。然而，Jia 等人 (2024) 观察到葡萄糖添加激活了原生 SOC 向残体的微生物转化，而没有产生激发效应。我们先前表明，伴随养分供给增加的秸秆添加促进了 SOC 激发，同时伴随着微生物群落和酶活性的长期变化（Zhang et al., 2024）。尚不清楚添加复杂秸秆是否会通过土壤 MCP 触发原生 SOC 向残体的转化，以及 N 和 P 输入如何调节控制秸秆碳和原生 SOC 转化为残体的微生物同化策略及其潜在机制。

本研究旨在 (1) 阐明氮和磷输入水平如何影响秸秆来源碳向 SOC 的微生物同化转化及其潜在机制；(2) 量化不同养分供给处理下新生成的微生物生物量和残体的时间变化；(3) 确定秸秆添加（有或无养分输入）是否以及如何触发预先存在的原生 SOC 向微生物残体的微生物转化。为了回答这些问题，我们进行了一项为期 300 天的 13C 标记水稻（Oryza sativa L.）秸秆温育实验，设置了三个养分供给水平。我们使用 PLFAs 和氨基糖的时间序列 13C 追踪来评估秸秆碳流向微生物生物量和残体的模式及数量，以探索微生物生理特征与残体形成之间的内在联系。此外，我们通过 13C-PLFAs 和残体积累效率评估微生物利用效率，以评估 MCP 效率。我们假设：(1) 伴随养分供给增加的秸秆添加将促进微生物同化作用，导致更多 13C 残体产生，伴随养分限制缓解而 CUE 和 CAE 更高（Liao et al., 2020; Ma et al., 2023; Camenzind et al., 2023）；(2) 在较长时间内，新生成的微生物碳将被重新矿化，这在仅秸秆处理中会加剧，因为残体分解和回收加剧（Buckeridge et al., 2020; Cui et al., 2020）；(3) 秸秆添加将促进微生物将原生 SOC 转化为残体，而养分添加将通过降低 SOM 降解所需的代谢成本进一步刺激这一过程（Soares and Rousk, 2019）。本研究提供了秸秆还田和施肥下微生物碳处理的机制证据，对优化养分管理以提高水稻生态系统土壤有机碳固存有实际意义。

片段摘录
场地描述与土壤采样
水稻土采集自中国江西省进贤县（28°15′30′′ N, 116°20′24′′ E）。该地区属亚热带季风气候，年平均气温 18.1 °C，年平均降雨量 1537 mm。土壤类型归类为人为土，pH 值为 5.29，质地为 24% 沙土、40% 粉土和 36% 粘土。在连续 20 多年的双季水稻（Oryza sativa L.）种植后，该田块改为稻 - 油（Brassica campestris L）轮作系统。

秸秆碳向磷脂脂肪酸（13C-PLFAs）的掺入
在整个温育过程中，秸秆来源的碳被掺入微生物生物量中，范围为 17.56 至 25.28 nmol g?1 干土（图 1a）。与 S + Nu0 处理相比，第 30 天 S + Nulow 和 S + Nuhigh 处理中的 13C-PLFAs 分别高出 5.4% 和 11.7%。这种正效应随时间推移而减弱，甚至变为负效应，从第 105 天到第 300 天，S + Nulow 和 S + Nuhigh 处理中的总 13C-PLFAs 分别减少了 26.3% 和 30.3%。

秸秆掺入模式
秸秆碳向活性生物量的时间依赖性微生物同化
13C-PLFAs 的快速增加表明快速生长的微生物迅速同化了秸秆碳。这些发现证实，一部分土壤微生物群处于休眠但潜在活跃的状态，能够随着碳的可用性而迅速激活和生长（Blagodatskaya and Kuzyakov, 2013; Joergensen and Wichern, 2018）。外部养分供给预计通过降低养分获取所需的代谢消耗来增加微生物对秸秆碳的分配。

结论
我们的结果表明，养分输入以时间依赖的方式调节微生物同化策略，从而调控秸秆来源和原生土壤有机碳的稳定化。养分添加最初刺激微生物同化作用和碳利用效率，但在后期加速了 13C 标记残体的周转并降低了残体积累效率。这些观察结果反映了微生物生长、代谢之间复杂的生物权衡，

CRediT 作者贡献声明
Xueli Ding: 撰写——初稿，调查研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。Evgenios Agathokleous: 撰写——审阅与编辑，概念构思。Timothy R. Filley: 撰写——审阅与编辑。Hongbo He: 撰写——审阅与编辑。

赵亮：写作—审阅与编辑、监督。利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。致谢：本工作得到了国家自然科学基金（42477312；42077085）的资助。我们衷心感谢匿名审稿人和编辑的仔细评估与富有洞察力的评论。我们感谢张斌博士在统计建模和数据分析方面提供的实质性帮助。丁雪莉 | 叶文义 | 蒂莫西·菲尔里 | 何洪波 | 赵亮