桑树(Morus alba L.)种植下较高的NO3?-N水平增强CAZyme丰度并提高土壤碳稳定性

《Land Degradation & Development》：Higher NO3?-N Levels Under Mulberry (Morus alba L.) Planting Enhanced CAZyme Abundance, Increasing Soil Carbon Stability

　　

植树造林被广泛认为是提升碳(C)固存的有效途径。然而，在经济和文化上具有重要意义的桑树种植园中，土壤碳(C)库的稳定性仍知之甚少。研究人员测量了不同团聚体中的土壤有机碳(SOC)含量和可氧化有机碳(OC)组分。研究人员通过一个整合了土壤氮素特性(铵态氮：NH₄⁺-N；硝态氮：NO₃^?-N；碱解氮：AN；全氮：TN)、碳水化合物活性酶(CAZyme)特征(反映植物源和微生物源碳的分解)以及气候因子(年均温：MAT；年均降水量：MAP)的分析框架，对碳库稳定性变化机制进行了研究。(1)合并数据分析显示，相对于荒地土壤，桑树土壤中难降解SOC(组分4)含量增加了94.59%，占总SOC(TSOC)增加量(27%，p<0.05)的100.92%。在不同团聚体中，TSOC的增加主要由大团聚体中的SOC含量驱动(贡献率为65.92%；Mac-SOC)。(2)与荒地土壤相比，桑树土壤中NO₃^?-N含量增加了107.29%，而NH₄⁺-N含量增加了47.16%(p<0.05)；在负责降解植物源和微生物源碳的土壤微生物CAZyme家族中，50个家族中有32个表现出显著更高的丰度。(3)在桑树土壤中，MAP和MAT通过土壤TN、AN和NO₃^?-N对CAZyme丰度产生了间接的正向影响。随后，CAZyme丰度对组分4、Mac-SOC和TSOC含量产生了直接正向影响，路径系数为0.559。在荒地土壤中，MAP和MAT通过影响土壤pH和EC间接增加了CAZyme丰度。CAZyme强烈且直接地增加了活性SOC、粉粒+黏粒中SOC和TSOC含量(路径系数=0.859)。本研究结果为通过优化管理桑树种植系统来提升生态系统碳固存提供了实用框架。

**桑树种植通过提升CAZyme丰度增强土壤碳稳定性的机制研究：基于七个生态脆弱区的配对样地分析**

植物源碳(C)(如纤维素、半纤维素和木质素)与微生物源碳(如真菌几丁质、葡聚糖和细菌肽聚糖)是进入土壤的主要有机化合物来源，其分解依赖于微生物分泌的碳水化合物活性酶(CAZyme)。桑树(Morus alba L.)作为蚕桑文明的核心载体，具有显著的经济与文化战略价值，其种植通常伴随施肥管理，导致土壤无机氮含量升高和pH降低。然而，桑树种植如何影响CAZyme丰度以及后续土壤有机碳(SOC)稳定性尚不清楚。基于此，研究人员在中国7个生态脆弱区开展了配对样地研究，旨在揭示桑树种植条件下土壤氮素特性、微生物CAZyme丰度与SOC库稳定性之间的内在联系，为优化桑园管理以提升生态系统碳固存提供科学依据。该研究成果发表于《Land Degradation》。

为验证假设，研究人员在延安、贵阳、吐鲁番、来宾、广州、宜宾和南昌7个生态脆弱区设置了28对桑园与相邻荒地配对样地(0–20 cm土层)，采集土壤样品。采用湿筛法将土壤团聚体分为大团聚体(>0.25 mm)、微团聚体(0.053–0.25 mm)和粉粒+黏粒(<0.053 mm)三级，以重铬酸钾滴定法测定各组分SOC含量；采用改良Walkley-Black法，通过梯度H₂SO₄浓度(6、9、12 mol/L)将可氧化有机碳分为4个活性梯度组分。氮参数分别采用半微量凯氏法(TN)、酚二磺酸法(NO₃^?-N)、碱解扩散法(AN)和靛酚蓝比色法(NH₄⁺-N)测定。选取其中4个代表性区域(延安、来宾、贵阳、吐鲁番)的样品进行宏基因组测序(Illumina NovaSeq平台)，通过hmmscan搜索CAZy数据库注释CAZyme基因家族。运用配对T检验、Spearman相关分析和偏最小二乘路径模型(PLS-PM)进行统计分析。

**3.1 桑树种植改变CAZyme丰度**
与荒地土壤相比，桑园土壤中降解植物源碳的33个CAZyme家族中有22个显著富集，涉及纤维素分解(GH1、GH116、GH12、GH3、GH48、GH5、GH6、GH8、GH9)、半纤维素分解(GH10、GH2、GH30、GH36、GH39、GH51等)和木质素分解(AA1–AA6)等关键酶家族；降解微生物源碳的17个家族中有10个显著增加，包括降解细菌肽聚糖的GH23、GH73、GH103、GH104、GH108以及降解真菌几丁质(GH16、GH18、GH19)和β-葡聚糖(GH55、GH64)的酶家族。

**3.2 微生物类群贡献分析**
在纲水平上，放线菌门的放线菌纲(Actinomycetes)、Terriglobia纲、Rubrobacteria纲、Thermoleophilia纲以及变形菌门的α-、β-、γ-变形菌纲是降解植物源碳CAZymes的主要贡献者。桑园土壤中Actinomycetes和Alphaproteobacteria的相对贡献较荒地增加，而未知细菌的贡献降低。

**3.3 土壤氮参数变化**
与荒地土壤相比，桑园土壤NO₃^?-N含量显著增加了107.29%，NH₄⁺-N含量增加了47.16%(p<0.05)。区域上，延安NO₃^?-N增加363.75%，吐鲁番增加31.06%，贵阳增加26.96%；TN在宜宾增加279.23%，延安增加146.21%；AN在广州增加66.25%。

**3.4 土壤碳库组分变化**
桑园土壤难降解SOC(组分4)含量较荒地显著增加94.59%，占TSOC增加量(27%，p<0.05)的100.92%；大团聚体SOC对TSOC增加的贡献率达65.92%，表明TSOC增加主要受大团聚体中SOC积累驱动。在全部7个区域中，桑园土壤组分4含量均高于荒地。

**3.5 相关性与路径分析**
相关分析显示，NO₃^?-N、TN和AN与大部分CAZyme家族呈显著正相关。PLS-PM路径模型进一步揭示：在桑园土壤中，MAP和MAT通过TN、AN和NO₃^?-N间接正向作用于CAZyme丰度(路径系数0.633)，CAZyme丰度直接正向影响组分4、Mac-SOC和TSOC含量(系数0.559)；在荒地土壤中，MAP和MAT通过pH和EC间接影响CAZyme丰度，CAZyme直接促进活性SOC、粉粒+黏粒中SOC和TSOC积累(系数0.859)。

**讨论与结论**
研究人员指出，施肥直接补充了土壤无机氮库，桑树种植后地上植被由草本转为木本，凋落物输入增加，为微生物提供了充足的碳源与氮源，促进了CAZyme基因的富集。CAZyme丰度的提升并未增加大团聚体的质量比例，而是通过加速凋落物分解形成颗粒有机物并嵌入团聚体骨架，强化了已有团聚体的物理保护作用；同时，对活性碳组分的优先降解导致难降解组分的相对富集，从化学稳定性层面提升了碳库抗分解能力。相比之下，荒地因缺乏氮素补充，CAZyme丰度较低，碳以活性组分赋存于粉粒+黏粒组分中。研究揭示了桑园土壤中N可利用性作为CAZyme丰度核心正向驱动因子、而荒地中pH和EC作为主要负向调节因子的不同机制，证实了优化氮管理可协同提升土壤碳稳定性，为生态脆弱区桑园碳汇功能提升提供了基于自然的解决方案。研究亦指出样本仅限表层、种植年限与土壤类型存在异质性等不确定性，未来应扩展对微环境和根系分泌物的分析。