一次性施用的木质泥炭所诱导的土壤有机碳升高可持续至第四年：微生物驱动颗粒态与矿物结合态有机碳的时间分异变化

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Elevated soil organic carbon induced by a one-time woody peat application persists through the fourth year: Microbial-driven divergent temporal changes in particulate and mineral-associated organic carbon

　　

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  一次性施用木质泥炭可提升土壤有机碳（SOC），并使该水平在4年内保持稳定。
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  SOC的稳定源于颗粒态有机碳（POC，下降）与矿物结合态有机碳（MAOC，上升）之间的相反动态。
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  POC与MAOC的动态由从细菌/原生动物向真菌演替所驱动。
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  原生动物在早期POC和MAOC调控中发挥关键作用。

引言

土壤有机碳（SOC）是反映土壤肥力的基本指标（Ma et al., 2023）。依据其形成途径、持存性与功能，SOC主要由颗粒态有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MAOC）组成（Lavallee et al., 2020）。POC主要来自部分分解的植物残体，通常与土壤团聚体相关（Cotrufo et al., 2019, Lavallee et al., 2020）。其周转时间相对较短（数年至数十年），是土壤活性碳库的关键组成部分（Jiang et al., 2025, Lavallee et al., 2020）。相比之下，MAOC主要来源于微生物残体或高度分解的有机质（Cotrufo et al., 2019），通过化学键合或物理吸附于黏土矿物及铁铝氧化物而被稳定化，因而周转时间更长（数百年），构成土壤惰性碳库的主要部分（Cotrufo et al., 2019, Lavallee et al., 2020）。因此，维持SOC含量处于稳定水平，在很大程度上取决于施入植物残体后POC与MAOC之间的动态平衡。然而，其中的微生物机制尚不清楚。

土壤微生物是将植物残体来源的碳转化为SOC的主要驱动力（Liang et al., 2017, Miao et al., 2025）。该过程主要通过两条途径实现：（1）微生物分泌胞外酶（如氧化还原酶和水解酶）来分解或转化高分子量植物来源的碳，从而促进植物来源碳向土壤的输入；（2）微生物直接同化低分子量植物来源底物，将其转化为细胞生物质。通过微生物细胞反复生长、种群增殖以及微生物残体碳（MNC）的产生与积累，植物来源的碳随后被纳入土壤（Liang et al., 2017）。MNC是细菌残体碳（BNC）与真菌残体碳（FNC）的总和（Wang et al., 2021）。BNC主要来源于细菌细胞壁残体，尤其是胞壁酸，而FNC主要来自真菌细胞壁中的几丁质，其主要成分为氨基葡萄糖（Wang et al., 2021）。虽然细菌细胞壁中也存在氨基葡萄糖，但真菌的贡献要大得多（Wang et al., 2021）。这些发现表明，植物残体施入后POC与MAOC的形成受到不同土壤微生物、微生物功能以及不同MNC组分的共同调控（Fu et al., 2025a, Niu et al., 2024）。

细菌主要通过分泌β-葡萄糖苷酶等水解酶来分解低复杂度的植物残体（Liu et al., 2025, Miao et al., 2025）。相比之下，真菌则通过氧化酶分解更具惰性（高复杂度）的残体（Huang et al., 2024, Miao et al., 2025）。田间试验表明，在一次性施用植物残体后的第4或第6年，POC的变化与细菌、真菌和放线菌的水解酶活性及磷脂脂肪酸（PLFA）含量显著相关，而POC与MAOC之比则与革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌PLFA比值（G⁺/G^?）呈显著正相关（Chen et al., 2024, Zhang et al., 2024b）。同样，培养试验显示，富集于POC组分中的细菌和真菌主要负责土壤碳矿化（Fu et al., 2025a），意味着在施用植物残体后，POC持续积累的效率有限。相反，与MAOC相关联的微生物则通过微生物–矿物相互作用促进残体来源碳向MNC的转化（Fu et al., 2025a）。此外，作为细菌和真菌的关键捕食者，土壤原生动物在塑造微生物群落结构方面发挥关键作用（Liao et al., 2024, Oliverio et al., 2020）。由此可以推断，土壤原生动物也可能影响POC与MAOC的积累动态，然而，这一潜在影响在现有文献中受到的关注十分有限。因此，以往研究忽视了田间条件下一次性施用植物残体后POC与MAOC形成的多年动态及其潜在的微生物机制。这一空白阻碍了对二者时间形成途径的全面理解。

纯木质泥炭（WP）是在高温、低氧及微生物活性受限的条件下由木本植物形成的有机材料，富含腐殖质等惰性碳组分（Zheng et al., 2024）。尽管一次性施用纯WP可在头一年内迅速提升SOC，但同时会显著提高土壤碳氮比。这种升高会引发氮素限制、抑制微生物活性，并最终阻碍作物产量（Zhao et al., 2020, Zhou et al., 2020）。因此，市售WP产品通常将纯WP与秸秆、有机激效剂配制而成，以增强微生物活性、促进秸秆分解，并加速养分循环与转化（Zhou et al., 2023）。以往研究表明，施用市售WP一年后，POC和MAOC含量显著增加，从而使SOC含量提升35%–54%（Chen et al., 2020, Fu et al., 2021, Zhou et al., 2023）。

我们假设，一次性施用市售WP后SOC的动态主要取决于POC与MAOC之间的动态平衡，且这两个碳库的浓度与不同的微生物特征密切相关。为检验这一假设，我们基于田间试验，监测了施用市售WP后第1年（WP1）、第2年（WP2）和第4年（WP4）SOC及其组分（即POC和MAOC）的动态变化。本研究的主要目标为：（1）量化施用市售WP后四年间SOC及其组分、土壤酶活性、MNC及其组分以及微生物群落组成（包括细菌、真菌和原生动物）的年际变化；（2）阐明SOC组分与土壤微生物群落、酶活性及MNC组分之间的关联；（3）确定调控SOC组分变化的最关键因素。

章节片段

研究地点与土壤采样

本研究在中国吉林省通榆县开展（122°30'35'' E, 44°46'22'' N）。该地区年均温度和降水量分别为16 °C和705 mm。根据FAO分类，该地区土壤属黑土（Chernozems）。由于土壤肥力较差，主要表现为土壤有机碳（SOC）含量偏低，当地政府大力推荐通过施用市售木质泥炭（WP）来快速提升SOC。在施用WP

土壤有机碳（SOC）及其组分

与对照（CK）相比，施用WP在第1年分别使SOC、POC和MAOC提高了68%、96%和63%（图1）。在施用后1至4年之间，SOC含量维持在较高水平（图1A）。相比之下，POC和MAOC表现出截然不同的时间趋势，即在此期间POC显著下降，而MAOC持续上升（图1B）。具体而言，WP2和WP4处理的POC含量分别比WP1低17%和25%，

一次性施用市售WP后第1年SOC增加

我们的结果表明，一次性施用市售WP使第1年SOC含量显著增加了68%（图1A）。这一提升归因于POC和MAOC的同时增加，二者分别提高了96%和63%（图1A、B）。与CK相比，WP1处理下POC与MAOC比值显著升高，表明第1年POC的增幅相对MAOC更为明显。

在本研究中，部分POC和

结论

总之，本研究提供了田间试验证据，表明一次性施用WP使SOC在至少四年内保持显著且稳定的提升。总SOC库的稳定由其各组成组分之间相反的动态所维持：POC随时间大幅减少，而MAOC持续增加，表明碳库由活性碳向更稳定的碳池转变。此外，我们揭示微生物演替（该演替

CRediT作者贡献声明

Zhou Tantian：写作 – 原稿撰写、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。Xu Jisheng：写作 – 审阅与编辑、调查研究、形式化分析、数据管理。Zhou Yunpeng：写作 – 审阅与编辑、调查研究。Guo Wei：写作 – 审阅与编辑、方法学。Deng Jiawen：写作 – 审阅与编辑、形式化分析。Yuan Shijia：写作 – 审阅与编辑、调查研究。Zhang Jiabao：指导监督。Zhao Bingzi：写作 – 审阅与编辑、指导监督，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由国家重点研发计划（2022YFD1500401）和中国农业科研体系（农业农村部、原农业部）（CARS–03）共同资助。

周 tantan|徐 jisheng|周 yunpeng|郭 wei|邓 jiawen|袁 shijia|张 jiabao|赵 bingzi