玉米秸秆生物炭与盐生植物凋落物协同提升滨海盐渍土中难降解有机碳组分：木质素酚与微生物残体碳的作用机制

《Biochar》：Biochar and halophyte litter synergistically enhance recalcitrant organic carbon fractions in coastal salt-affected soil via lignin phenols and microbial necromass carbon

　　

生物炭在修复滨海盐渍土及支撑碳固持方面展现出潜力，但其在盐生植物凋落物碎屑圈（detritusphere）中的作用，尤其是对木质素酚和微生物残体碳（MNC）的影响尚不明确。本研究以黄河三角洲滨海盐渍土为对象，开展为期370天的微宇宙实验，设置两种水分条件（最大持水量的75%和125%），评估玉米秸秆生物炭（CBC）如何影响盐生植物盐地碱蓬（Suaeda salsa）凋落物碎屑圈中木质素酚和MNC的积累。结果表明，CBC和凋落物输入对木质素酚和MNC积累的驱动作用强于水分条件。凋落物输入使木质素酚和MNC含量分别显著增加32.80–33.36%和0.78–14.36%，而单独施用CBC使木质素酚含量降低12.18–12.87%，但使MNC积累增加15.36–42.22%。与单独凋落物处理相比，CBC配施凋落物在两种水分条件下使木质素酚、细菌残体碳（BNC）和MNC分别显著增加22.43–41.15%、165.21–233.48%和25.09–53.82%。机制上，CBC配施凋落物缓解了盐度/碱度胁迫并提高了养分有效性，富集了分解相关类群（Preussia、Talaromyces）和与BNC积累相关的类群（Thiobacillus、Thioalkalispira）。同时，CBC与更高的团聚体稳定性和有机-矿质结合相关，这些模式可能有利于木质素来源残留物和微生物残体的保留。这些发现为生物炭作为滨海盐渍土可持续管理和碳固持的基于自然的策略提供了依据。

研究背景：健康土壤是粮食安全和气候减缓的基础，但全球盐渍土面积约为1.0×10⁹ hm²，其中超过10%具有潜在可耕性。滨海盐渍土与蓝碳生态系统紧密关联，对气候变化减缓具有重要意义。黄河三角洲持续盐渍化伴随土壤碳（C）储量下降，在中国黄河流域保护与双碳目标战略背景下，提升该区域土壤健康和碳固持已成为紧迫优先事项。生物炭被广泛认为是一种负排放技术，通过引入持久性碳输入和改变土壤碳库动态来增强土壤碳储存，已越来越多地应用于滨海盐渍土的修复和碳固持。然而，生物炭诱导的土壤有机碳（SOC）增益的持久性和稳定性关键取决于植物来源和微生物来源碳的后续转化与保护。特别是生物炭对微生物残体碳（MNC）积累的影响及其与植物来源碳输入的相互作用在盐渍化碎屑圈系统中仍知之甚少。木质素酚和MNC是盐渍土SOC的主要贡献者。木质素酚是木质素降解的芳香族中间产物，广泛用作植物来源碳动态的分子示踪剂。MNC包括细菌残体碳（BNC）和真菌残体碳（FNC），一旦形成可通过团聚体闭蓄和有机-矿质结合而稳定化。在黄河三角洲滨海盐渍土中，MNC约占SOC的10.40–25.40%。然而，目前对这些系统的研究主要集中于量化MNC储量，对生物炭施用等管理措施如何影响其积累关注较少。碎屑圈是凋落物与矿质土壤之间的界面，是以植物残体为中心的碳动态热点。生物炭可能通过重塑植物来源木质素酚输入与微生物残体积累之间的耦合来调控SOC积累，但大多数现有证据来自非盐渍化土壤。因此，生物炭输入如何影响碎屑圈中木质素酚和MNC的积累，以及它们的耦合如何贡献于滨海盐渍土SOC积累和稳定化，仍不清楚。在此前工作中，研究人员建立了一个模拟滨海盐渍土中盐生植物凋落物-土壤界面并添加生物炭的微宇宙系统，证明了生物炭在不同水分条件下有效调控磷（P）有效性和相关微生物过程，但该研究未涉及凋落物-土壤界面碳组分的转化和积累。在此基础上，本研究开展了370天的培养实验，以中国北方黄河三角洲典型滨海盐渍土为对象，研究CBC输入如何在两种水分条件（75%和125%持水量）下影响盐地碱蓬碎屑圈中木质素酚和MNC的积累。具体目标为：（1）量化凋落物分解和木质素酚积累；（2）表征MNC形成和微生物群落组装；（3）评估对SOC稳定化的协同效应。

研究方法：研究人员采集黄河三角洲滨海盐渍地表层土壤（0–20 cm）和盐地碱蓬凋落物，制备玉米秸秆生物炭（CBC，450 °C慢速热解）。微宇宙实验设置两种水分水平（75%和125%最大持水量，分别代表非淹水和淹水条件），四种处理：（1）未改良土壤（CK）；（2）土壤+CBC（BC）；（3）土壤+凋落物（SS）；（4）土壤+CBC+凋落物（BSS）。CBC按3%（w/w）混入风干土壤，凋落物2.00 g装入150目尼龙凋落物袋埋于2.00 cm深度。培养370天，在10、100、190和280天回收凋落物袋分析质量损失，第370天破坏性采样收集碎屑圈土壤。关键技术方法包括：土壤基本理化性质测定（元素分析仪测定SOC和全氮，重铬酸钾氧化法测定活性有机碳（LOC），ROC为SOC与LOC之差）；碱性CuO氧化法测定木质素酚（肉桂基、香草基和丁香基酚）及酸醛比（Ad/Al）v和（Ad/Al）s；氨基酸糖生物标志物（氨基葡萄糖GluN、半乳糖胺GalN和胞壁酸MurA）经气相色谱测定后估算BNC、FNC和MNC；连续提取法测定矿物结合有机碳组分；湿筛法测定团聚体稳定性（平均重量直径MWD）；细菌16S rRNA基因和真菌ITS区域测序分析微生物群落组成。统计采用单因素方差分析和Duncan多重比较、双因素和三因素方差分析、Spearman相关分析、主成分分析（PCA）和Mantel检验。

研究结果：

3.1 土壤理化性质变化：在两种水分条件下，BC和BSS的pH、EC和阳离子交换量（CEC）显著高于CK，而交换性钠百分比（ESP）显著降低、MWD显著升高。BSS的C:P和N:P比值最高，有效磷（AP）含量较CK增加281.20%。表明CBC改善了盐渍土理化环境。

3.2 凋落物分解动态和官能团转化：370天累计凋落物质量损失为51.68–77.27%，BSS较SS最终增加16.39%。分解速率在0–10天达到峰值后显著下降。FTIR光谱显示BSS残留物中木质素和芳香族结构（1645、1515、1475、1215和1080 cm^?1）强度增强，而1760–1700 cm^?1区域（半纤维素和脂肪族酯基）信号减弱，表明CBC促进了易分解组分的优先损失和芳香族结构的相对富集。

3.3 木质素酚含量和降解指标：木质素酚含量随凋落物输入增加，且CBC添加进一步增强。以125% WHC为例，BSS较SS使肉桂基、香草基和总木质素酚分别增加28.94%、158.19%和41.15%。SS的（Ad/Al）v和（Ad/Al）s最低，BC和BSS显著高于CK和SS，表明CBC增强了木质素氧化。

3.4 氨基糖和MNC：BSS的MurA含量显著高于CK、BC和SS，分别增加283.68%、216.56%和215.57%。BSS的BNC含量较CK、BC和SS分别增加283.58%、216.53%和192.56%。BC的FNC含量显著高于CK和BSS。BSS的MNC含量较CK、BC和SS分别增加48.75%、16.94%和37.87%。BSS的BNC/MNC比较CK、BC和SS分别高158%、170%和114%。BSS中MNC的相对增量（ΔMNC）超过BC和SS之和，且BNC是SS和BSS中ΔMNC的主要贡献者。三因素方差分析确认CBC×凋落物对BNC的显著交互作用，表明协同效应。

3.5 SOC和ROC：BSS的SOC和ROC含量显著高于CK、BC和SS，SOC较三者分别增加491.86%、55.09%和174.87%，ROC分别增加922.63%、78.36%和260.15%。BSS的ΔSOC和ΔROC超过BC和SS之和的23.33%和40.12%。ROC/SOC比值在BC、SS和BSS中分别为CK的1.50、1.32和1.73倍。三因素方差分析确认CBC×凋落物对SOC和ROC的显著交互作用。

3.6 碎屑圈微生物群落特征：细菌群落以变形菌门、浮霉菌门和芽单胞菌门为主。BSS较SS增加了变形菌门和厚壁菌门的相对丰度，降低了蓝细菌门。在碳循环相关细菌属中，BSS较SS增加了Subgroup_10、Thiobacillus、Thioalkalispira和Azoarcus的丰度。真菌群落以子囊菌门为主（>60%），BSS增加了子囊菌门、被孢霉门、壶菌门和担子菌门的相对丰度。在碳循环相关真菌属中，BSS较SS增加了Aspergillus、Talaromyces、Mortierella和Coprinellus的丰度。FUNGuild分析显示BSS中优势腐生营养型 guild 的相对丰度显著高于SS。PICRUSt2功能预测表明BSS中20个最丰富的KEGG二级分类中有19个预测相对丰度高于SS。

讨论部分总结：CBC促进了凋落物分解和木质素酚积累，FTIR和（Ad/Al）v、（Ad/Al）s指标证实CBC增强了木质素氧化，BSS中较高的ROC/SOC比值与这些相对稳定的分解产物积累一致。CBC通过富集与木质纤维素降解相关的微生物类群（如Bacteroidetes、Thiobacillus、Thioalkalispira、Basidiomycota、Preussia、Talaromyces等）促进凋落物分解和植物来源木质素酚积累。CBC和凋落物协同增强碎屑圈MNC积累，BSS中BNC和MNC含量最高，ΔMNC主要由ΔBNC驱动，CBC×凋落物对BNC的显著交互作用表明协同效应。CBC通过改善土壤结构、降低ESP和提高养分有效性来缓解微生物盐碱胁迫，促进微生物生长和周转。CBC和凋落物通过耦合植物和微生物来源碳稳定化协同促进SOC和ROC积累，矿物-有机 association（包括吸附、配体交换、内圈络合、阳离子桥接、共沉淀和团聚体闭蓄）增强了积累碳组分的稳定化。Mantel检验表明CBC、凋落物分解、土壤性质和微生物群落结构与木质素酚、MNC、SOC和ROC变异共同相关。研究局限性：凋落物袋培养可能改变了微环境条件，自然滨海湿地碳动态受潮汐淹水、根系活动、季节性温度变化和长期氧化还原波动等多因素影响，未来需通过田间试验和原位分解实验验证长期效应。

研究结论翻译：本研究证明，CBC与盐地碱蓬凋落物配施协同增加了碎屑圈中木质素酚和BNC，同时增强了SOC、ROC和矿物结合有机碳库。凋落物输入是木质素酚积累的主要驱动因素，而CBC是控制凋落物分解、MNC、SOC和ROC的主导因素。机制上，CBC和凋落物似乎通过互补途径发挥作用。凋落物输入持续向碎屑圈供应植物来源生化底物，而CBC添加与植物和微生物来源有机碳的增强积累和保留相关，可能通过以下途径：（1）缓解盐碱胁迫并改善土壤结构和养分有效性；（2）碎屑圈微生物群落向与凋落物分解和残体积累相关的类群转变；（3）通过孔隙截留、表面吸附和矿物-有机结合提供物理化学保护。这些过程共同与盐渍化碎屑圈中SOC积累和稳定性的增强相关。本研究为生物炭介导的滨海盐渍化碎屑圈土壤碳转化和稳定化提供了机制见解。然而，自然滨海湿地碳动态受潮汐淹水、根系活动、季节性温度变化和长期氧化还原波动等多因素交互影响。未来工作应通过田间试验和原位分解实验验证生物炭和凋落物输入对碎屑圈碳命运的长期效应，最好结合稳定同位素标记示踪植物和微生物来源碳向稳定SOC库的转化和分配。