长期养分添加限制了亚热带森林不同土壤深度下根际分泌物诱导的激发效应

《Applied Soil Ecology》：Long-term nutrient enrichment constrains root exudate-induced priming effects across soil depths in a subtropical forest

　　

Abstract
根系分泌物是调节土壤有机质（SOM）分解和地下碳（C）循环的主要因素，但根系分泌物引发的激发效应（PEs）如何响应不同土壤深度的长期养分富集仍知之甚少。我们进行了一项为期 60 天的培养实验，将 13C 标记的根系分泌物（收集自 13C 标记的幼苗）添加到中国江西省钱叶洲亚热带杉木人工林的两个土层（0–10 cm 和 50–60 cm）的土壤中。该地点已连续接受氮（N）、磷（P）及氮磷（NP）添加处理九年。在各养分处理中，添加根系分泌物主要引发负激发效应，且深层土壤（50–60 cm）的效应强于表层土壤（0–10 cm）。N 和 NP 添加显著抑制了两个土层中由分泌物引发的激发效应，而 P 添加减轻了这种抑制作用，并使深层土壤的激发效应由负转为正。同时，根系分泌物和养分富集共同降低了土壤真菌和细菌的多样性，并重塑了微生物群落组成。这些微生物变化与激发效应的变化有关，主要通过土壤 NO3? 可利用性和 CO2 积累的变化起作用。综上所述，我们的结果表明，长期养分富集（特别是 N 输入）可以限制短期培养期间由根系分泌物驱动的土壤有机质分解及相关碳损失，从而可能影响全球变化下亚热带森林生态系统中的土壤碳保留过程。

Introduction
土壤中储存的碳（C）比大气和植被总和还要多，使其成为全球碳循环的核心调节者 (Schlesinger and Andrews, 2000)。光合固定的碳有相当一部分通过根系沉积进入土壤，包括根系分泌物、粘胶质和脱落的细胞 (Lal, 2008; Paterson et al., 2009)。在这些输入物中，根系分泌物（由低分子量糖类、氨基酸和酚类化合物组成）在调节微生物活动和养分周转方面发挥着不成比例的重要作用，从而影响土壤有机质（SOM）动态和生态系统碳平衡 (Haichar et al., 2014; Keiluweit et al., 2015; Pan et al., 2016)。通过选择性刺激细菌和真菌类群，根系分泌物可以改变微生物碳利用和分配策略，从而影响土壤有机质分解与碳稳定化之间的平衡 (He et al., 2024; Tao et al., 2023)。

将根系来源的碳输入与土壤有机质周转联系起来的一个关键过程是激发效应（PE），定义为在添加活性有机碳底物（如根系分泌物）后，原生土壤有机质分解发生变化 (Kuzyakov, 2010; Kuzyakov et al., 2000)。当新输入的碳刺激微生物活动并加速土壤有机质分解时，激发效应可为正；当微生物优先利用分泌物并减少对分解原生土壤有机质的投入时，激发效应则为负 (Blagodatskaya et al., 2007; Fontaine et al., 2003)。激发效应的方向和大小取决于底物质量、养分可利用性以及控制碳分配和酶产生的微生物生理策略 (de Graaff et al., 2010; Phillips et al., 2012)。由于生长速度快且偏好简单底物，细菌通常对活性碳输入的响应迅速；而真菌则倾向于通过胞外酶专门分解复杂的有机质，过程较慢但效率更高 (Domeignoz-Horta et al., 2021; Wardle et al., 2002)。因此，根系分泌物可以重塑微生物群落组成和活性，从而调节土壤激发效应动态 (Blagodatskaya and Kuzyakov, 2008; Sauvadet et al., 2018; Wu et al., 2024)。然而，许多以往的研究依赖于简化的根系分泌物替代物，通常是葡萄糖等单一化合物，这很难代表天然根系分泌物的化学复杂性，因此可能限制了对现实植物-土壤相互作用下激发效应的理解 (Bastida et al., 2019; Perveen et al., 2019; Yan et al., 2023)。

深层土壤（约 30 cm 以下）含有全球一半以上的土壤有机碳，在长期碳稳定化中起着至关重要的作用 (Rumpel and K?gel-Knabner, 2011; Salomé et al., 2010)。与表层土壤相比，深层土壤通常具有更低的有机碳含量和养分可利用性，更低的微生物生物量和多样性，以及更强的矿物-有机质结合 (Hu et al., 2025; Liao et al., 2021; Tückmantel et al., 2017)。因此，深层土壤中的微生物通常受碳和能量限制更严重，使其对活性碳输入特别敏感 (Qiao et al., 2016)。这种输入可以刺激微生物生长，加剧养分需求，增加对土壤有机质的养分挖掘，并可能产生比表层土壤观察到的更强烈的激发效应。然而，不同土壤深度的激发效应方向和大小仍存在争议，因为响应可能因底物特征和生态系统背景而异 (Gaudel et al., 2022; Karhu et al., 2016; Shahzad et al., 2019; Tao et al., 2026)。尽管有这些新兴但不一致的证据，但根系分泌物引发的激发效应如何随土壤深度变化，以及支撑这些响应的微生物机制是什么，仍未得到充分解决。

长期氮和/或磷富集可以进一步改变根系分泌模式和土壤微生物群落组成 (Phillips et al., 2011; Leff et al., 2015; Li et al., 2015)，从而影响激发效应的方向和大小。长期氮富集通常会增加土壤氮可利用性并改变土壤有机质动态 (Phoenix et al., 2012)，但报告的激发效应结果不一致，有研究表明增加 (Feng et al., 2021)、减少 (Hicks et al., 2019) 或无变化 (Zhang et al., 2020)。这些截然不同的响应可能反映了微生物养分限制的变化以及碳和氮获取策略的生理调整 (Wild et al., 2016)。相比之下，关于激发效应对长期磷或氮磷联合施肥的响应知之甚少，尽管全球范围内磷输入广泛 (Bindraban et al., 2020)，且越来越多的证据表明磷可利用性可以调节土壤碳封存 (Feng et al., 2023)。例如，Qin 等人 (2024a) 使用 13C 标记的葡萄糖表明，长期磷施肥通过刺激高山草甸中的微生物活性增加了激发效应。在天然根系分泌物输入、不同土壤深度以及森林生态系统中是否会发生类似的响应仍不清楚。

已经提出了几个概念框架来解释激发效应的潜在机制。优先底物利用假说认为，土壤微生物优先利用新添加的活性底物而非更稳定的土壤有机质，从而导致土壤有机质分解减少和负激发效应 (Kuzyakov et al., 2000; Michel et al., 2023; Sparling et al., 1982)。相反，共代谢理论认为，活性碳输入会刺激酶的合成和难分解土壤有机质的分解，导致正激发效应 (Paul and Clark, 1989)。微生物氮挖掘假说强调，在氮限制条件下，微生物利用活性碳来增加胞外酶产生并加速土壤有机质分解，以获取限制性养分 (Chen et al., 2014; Craine et al., 2007; Fontaine et al., 2003)。同时，化学计量分解理论预测，当底物的元素比与微生物碳：氮：磷需求一致时，激发效应的大小达到最大化 (Hessen et al., 2004; Zhu et al., 2022)。然而，大多数研究主要集中在氮可利用性和碳氮耦合上，尽管微生物代谢中碳、氮、磷循环紧密整合 (Finzi et al., 2011; Qin et al., 2024b)，但对磷和氮磷联合效应的考虑有限。

尽管对土壤激发效应进行了广泛的研究，但我们对天然根系分泌物（而非简化底物）如何在不同土壤深度下长期养分富集的环境中调节激发效应的理解仍然有限。大多数以往的研究依赖于单一化合物并关注表层土壤，忽视了分泌物的化学复杂性、依赖于深度的微生物限制以及长期氮磷输入的遗留效应。在此，通过结合 13C 标记的天然根系分泌物、长期氮、磷和氮磷施肥以及分层解析的土壤，我们对养分化学计量比和微生物群落重组如何共同调节激发效应进行了机制评估。这种综合方法使我们能够区分激发效应中特定元素（N 与 P）和依赖于深度的控制因素，从而推进对全球变化下根系驱动土壤碳动态的更现实框架的理解。

为了填补这些知识空白，我们进行了一项为期 60 天的培养实验，使用源自杉木幼苗的 13C 标记根系分泌物，以及收集自接受长期氮、磷和氮磷联合施肥的亚热带人工林的土壤。我们量化了表层土壤（0–10 cm）和深层土壤（50–60 cm）中根系分泌物引发的激发效应，并考察了相关的微生物群落响应。我们的假设是：(1) 根系分泌物将引发依赖于深度的激发效应，由于微生物碳限制更强和真菌贡献更大，深层土壤的效应大小更大且可能为正激发效应，而富含养分的表层土壤由于细菌优先利用活性底物，将表现出中性或负激发效应 (Blagodatskaya et al., 2007; Craine et al., 2007; Karhu et al., 2016)；(2) 长期氮富集将通过缓解微生物养分限制来降低激发效应，而磷添加将发挥较弱甚至相反的作用，因为微生物磷获取并不总是与土壤有机质周转紧密耦合 (Feng and Zhu, 2021; Su and Shangguan, 2023)。

Section snippets
Site description and soil sampling
本研究在中国南方江西省钱叶洲生态实验站 (26°44′ N, 115°04′ E, 海拔 102 m) 进行。该地区为亚热带大陆性季风气候，年平均气温为 17.9 °C，年平均降水量为 1469 mm，大部分降水落在 3 月至 6 月 (Wang et al., 2012)。土壤是由第四纪红粘土发育而成的典型赤红壤 (Ultisols)，当地称为"红壤"。

Cumulative CO2 emission and priming effect
累积 CO2 排放量随施肥处理、根系分泌物添加和土壤深度而变化。在整个培养过程中，N 和 NP 添加促进了 CO2 释放（图 1）。表层土壤释放的 CO2 始终多于深层土壤（图 1）。60 天后，无论土壤深度如何，接受 N 和 NP 添加处理的土壤累积 CO2 排放量均高于对照组（图 S1）。当合并不同土壤深度的数据时，所有施肥处理下的激发效应逐渐下降。

Discussion
根系分泌物是植物-土壤碳相互作用的关键中介，但根系分泌物引发的激发效应如何响应不同土壤深度的长期养分富集仍知之甚少。我们证明，根系分泌物添加和施肥处理共同调节了亚热带杉木人工林中的土壤激发效应。总体而言，根系分泌物主要引发负激发效应，且深层土壤的激发效应大小大于表层土壤。长期 N 和 NP 添加一致地降低了激发效应的大小。

Conclusions
本研究证明，根系分泌物引发的激发效应主要为负，并受到长期养分富集和土壤深度的强烈调节。通过使用 13C 标记的天然根系分泌物而非简化底物，我们表明，长期的 N 和 NP 输入抑制了整个土壤剖面的激发效应大小，而磷富集则产生依赖于深度的差异效应——在表层土壤中减弱激发效应，但在深层土壤中诱导正激发效应。这些发现表明，激发响应不能基于。

CRediT authorship contribution statement
Jing Zhou：撰写—初稿，方法学，数据管理，概念化。Jie Li：撰写—审阅与编辑，方法学。Na Qiao：资金获取，概念化。Guang Zhao：撰写—初稿，数据管理，概念化。Xingliang Xu：撰写—审阅与编辑，监督，概念化。

Declaration of competing interest
作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本文报道的工作。

Acknowledgements
本研究由国家自然科学基金 (41601318, 32401429) 提供资金支持。

Jing Zhou|Jie Li|Na Qiao|Guang Zhao|Xingliang Xu
中国科学院地理科学与自然资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，中国北京，100101。