保留作物残茬可以分离高地和稻田中土壤微生物的碳代谢与氮代谢过程

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Crop residue retention decouples soil microbial carbon and nitrogen metabolism in upland and paddy field

　　

摘要

作物残渣的保留被广泛用于增强土壤有机碳（SOC）的封存，但其效率可能取决于微生物碳（C）和氮（N）代谢之间的耦合。我们在旱地和稻田进行了田间实验（对比残留物去除和保留的情况）。通过宏基因组和酶活性测定，研究了残渣保留对碳降解和氮循环代谢的土地利用特异性影响，以及碳-氮耦合如何调节其效率。残渣保留增加了两种土地利用类型中碳降解基因的丰富度，但具有不同的底物偏好。在旱地，它增加了与植物来源和微生物来源底物（如几丁质、肽聚糖）分解相关的基因；而在稻田中，仅促进了针对植物来源底物分解的基因。残渣保留提高了稻田中氮循环基因的丰富度，但在旱地则没有这种效果。由于残渣保留，两种土地利用类型的氮循环途径有所不同：旱地中硝化作用、反硝化作用（ANRA）和丁酸盐还原作用（DNRA）得到增强，而稻田中则表现为反硝化作用增强但硝化作用受到抑制。此外，在两种土地利用类型中，去除残渣的土壤中碳降解基因与氮循环途径之间的正相关性更强，这与酶活性数据一致。残渣保留使旱地的微生物碳利用效率降低了4.95%，稻田降低了5.54%。结构方程模型将这种降低与微生物碳-氮耦合的减弱联系起来，反映了更高的代谢成本，并限制了外源碳作为SOC的稳定。总体而言，我们阐明了残渣保留对土壤碳和氮代谢的土地利用特异性影响，并确定了微生物碳-氮解耦是长期SOC封存的一个关键限制因素。

引言

作物残渣的保留是一种广泛采用的农业实践，可以增强秸秆资源的利用并促进土壤有机碳（SOC）的封存。根据赵等人（2020年）的荟萃分析，作物残渣的保留使SOC平均增加了12.3%。然而，一些研究报道残渣保留对土壤碳储量的影响微乎其微甚至呈现负效应（Dalal等人，2011年；Nishigaki等人，2021年；Lin等人，2022年）。尽管残渣的掺入有助于新SOC的形成，但它也可能刺激现有SOC的分解（Zhou等人，2025年）。这两个过程共同决定了净SOC平衡，并直接受到氮可用性的影响（Vourlitis和Fernandez，2015年）。因此，全面理解作物残渣保留后的碳（C）和氮（N）代谢及其相互关系，对于更好地阐明碳封存机制和指导合理的农业实践至关重要。

在自然生态系统中，碳（C）和氮（N）的转化通过植物和土壤微生物的化学计量需求紧密耦合（Weintraub和Schimel，2003年；Finzi等人，2011年）。碳和氮转化的耦合对土壤功能和作物产量至关重要（Finzi等人，2011年；Zechmeister-Boltenstern等人，2015年）。然而，越来越多的证据表明，土壤中的碳和氮转化对环境变化的响应是不对称的，并且在温度和湿度条件波动的情况下可能会解耦（Sistla和Schimel，2012年；Delgado-Baquerizo等人，2013年；Mooshammer等人，2014年；Hobley等人，2018年）。碳和氮的解耦可能会进一步导致土壤养分可用性的不平衡，通过呼吸作用失去碳，最终减少SOC的封存（Bowles等人，2015年；Ehtesham和Bengtson，2017年）。有人提出，土壤中碳和氮转化之间的关系取决于土壤中碳和氮的可用性（Mooshammer等人，2014年；Bagheri Novair等人，2020年）。碳氮比较低的土壤通常在氮限制较弱的情况下支持微生物生长，有利于氮的矿化而非固定，从而促进土壤中碳和氮矿化之间的正相关关系（Mooshammer等人，2014年）。相反，碳氮比较高的土壤会导致强烈的微生物氮限制，迫使微生物产生高生理成本来合成获取氮的酶，从而促进氮的固定（Chen等人，2014年；Cookson等人，2007年；Moorhead等人，2012年）。在微生物效率矩阵（MEM）框架下，微生物通过溢出代谢响应这种限制，将多余的碳以CO?的形式呼吸掉而不是将其同化到生物量中（Manzoni等人，2012年）。这种代谢转变破坏了碳和氮矿化之间的线性相关，导致功能上的碳-氮解耦，限制了微生物碳利用效率（CUE）。由于作物残渣的碳氮比较高，我们推测残渣保留会引发这些化学计量不平衡和代谢转变，从而解耦土壤中的碳和氮转化，可能改变微生物的碳利用效率（假设1）。验证这一假设并阐明其潜在机制对于完善我们对残渣保留的评估至关重要，因为当前研究大多忽略了碳-氮耦合，因此可能高估了其碳封存潜力。

近年来，鸟枪法宏基因组学被应用于越来越多的研究中，以探索碳和氮代谢对作物残渣保留的响应。例如，Xie等人（2022年）观察到残渣保留增加了与碳降解和氮矿化相关的基因丰度，并得出结论认为土壤微生物中的氮转化与碳封存有关。另一方面，秸秆覆盖可以通过促进反硝化作用（ANRA）和丁酸盐还原作用（DNRA）来减少气体氮损失，同时抑制硝化作用和反硝化作用（Guo等人，2025年；Zhao等人，2025年）。这些研究能够全面分析与碳和氮转化相关的整个基因家族，比依赖单一标记基因的早期研究提供了更清晰、更系统的理解。尽管如此，几乎所有这些研究都仅关注稻田或旱地，关于这两种土地利用类型如何影响碳和氮代谢潜力对残渣保留的响应的比较研究有限。

这一差距尤其关键，因为稻田和旱地在水分管理方面存在根本差异，从而导致不同的氧化还原状态，这深刻影响了生物地球化学过程（Chen等人，2021年；Feng等人，2024年）。例如，稻田中的厌氧条件减缓了有机碳的分解， enriches了中间代谢物如乙酸、丙酸和乳酸（Pyzola等人，2025年）。此外，在这些不同的氧化还原条件下，微生物氮循环途径也有根本差异。通风良好的旱地土壤通常以好氧硝化为主导。相比之下，稻田中波动的水分和氧气限制条件强烈促进了厌氧途径，特别是 dissimilatory 硝酸盐还原为铵（DNRA）和反硝化作用（Lim等人，2015年；Wei等人，2021年）。这些显著的生物地球化学差异表明，作物残渣保留的效率可能是系统特异性的。因此，我们推测残渣保留对土壤中碳和氮转化的影响在旱地和稻田之间会有所不同（假设2）。评估这一假设并阐明其潜在的机制差异对于制定针对旱地和稻田的残渣管理策略至关重要。

为此，在三江平原进行了一项田间研究，该地区每年都会施用作物残渣。三江平原是中国重要的粮食生产基地，其中旱地和稻田分别占耕地总面积的55%和45%（Guo等人，2023年）。在该地区，我们选择了两个相邻的稻田和旱地站点，并在幼苗期、成熟期和冻结期收集了土壤样本。选择这三个不同阶段是为了捕捉温度和土壤湿度的季节性变化，其中幼苗期和成熟期代表了作物生长期，而冻结期反映了收获后冬季的微生物动态。通过使用宏基因组技术和酶活性测定，我们研究了支持土壤碳和氮代谢的微生物过程。我们的目标是评估上述假设，并：（1）比较稻田和旱地之间残渣保留对碳和氮代谢的影响；（2）评估残渣保留是否会使碳和氮代谢解耦；（3）探讨碳和氮代谢之间的关系是否会影响微生物碳利用效率。

章节片段

研究区域描述

研究在中国东北部的三江平原两个相邻站点进行（46°40′7″N, 129°39′46″E）。该地区具有温带大陆性季风气候。年平均温度（MAT）在1.9至3.9°C之间，年平均降水量（MAP）为500–600毫米，其中约70%发生在7月至8月之间。无霜期为120–140天，随后是五个月的土壤冻结期。两个站点的土壤类型分别为

CAZyme编码基因和氮循环相关基因的多样性

在所有土壤样本中，CAZyme编码基因和氮循环相关基因分别占总读取量的1.22%和0.01%。三方ANOVA表明，残渣保留管理、土地利用类型和采样阶段都对CAZyme编码基因和氮循环相关基因的丰富度有显著影响（补充表S1）。具体来说，RR处理中的这些CAZyme编码基因的丰富度始终高于CK处理

残渣保留导致碳和氮代谢解耦

我们的假设“残渣保留会导致碳和氮代谢解耦”在旱地和稻田中都得到了一致的支持。大量外源碳的输入往往会改变微生物相互作用并破坏网络结构（Banerjee等人，2018年；Wagg等人，2019年）。在我们的研究中，残渣保留不仅减少了碳和氮循环途径之间的正相关性，还破坏了协同模式，关键基因的丢失导致它们的调控机制失效

结论

总之，本研究表明作物残渣的保留在旱地和稻田中都导致了微生物碳和氮代谢的解耦。这种解耦可能（Kallenbach等人，2016年）解释了为什么增加碳输入并不一定转化为相应的长期SOC封存。具体来说，残渣保留加速了旱地土壤中植物和微生物来源的碳分解，但主要促进了植物来源的碳分解

CRediT作者贡献声明

吴毅：软件支持，正式分析。张秀梅：资金筹集。杨伟：写作——审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，概念化。黄珏：写作——初稿撰写，可视化，验证，方法论，正式分析，数据管理。关钰鹏：验证，方法论，正式分析。郭全宽：调查，数据管理。范毅：软件支持，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本论文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金的支持（U21A20188）。

Ju Huang|Yupeng Guan|Quankuan Guo|Yi Fan|Yi Wu|Ximei Zhang|Wei Yang

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081，中国