热带农业系统中蚯蚓粪的短期碳稳定化

《Applied Soil Ecology》：Short-term carbon stabilization in earthworm casts under tropical agricultural system

　　

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  新鲜蚯蚓粪中的土壤有机碳（SOC）增加了20%，颗粒有机质（POM）增加了31%，相对于周围土壤。
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  新鲜粪中存在铁和铝短程有序相的消耗，限制了矿物的反应性。
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  镁和羧基富集表明有机质稳定化中的阳离子桥接作用减弱。
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  观察到一种权衡关系：颗粒有机质输入和官能团富集有所改善，但矿物基稳定化潜力降低。

引言

土壤大型动物是土壤有机质（SOM）动态变化和大气碳封存的关键驱动者，直接影响生物地球化学循环和生态系统可持续性（Lavelle等，2020年）。体长大于2毫米的生物，如蚯蚓、白蚁、蚂蚁和甲虫，作为生态系统工程师，通过驱动生物扰动过程改变土壤结构、增强土壤通气性和水分入渗，并间接调控有机质分解（Jones等，1994年；Da Silva等，2006年；Lavelle等，2006年）。

在土壤生物中，蚯蚓因其对土壤的物理化学效应而尤为突出。蚯蚓近年来被认知的一项生态功能是"粪便生态学"，即其粪便作为生物单元，可创造与周围土壤性质显著不同的微环境（Iordache，2023年）。通过吞食和消化有机及矿物物质后排出体外，形成有机-矿物聚集体，导致微生物群落组成改变、酶活性增强以及养分有效性变化（Blouin和Jacquiod，2020年；Aira等，2022年；Lejoly等，2024年）。因此，粪便可能成为微生物热点区域，具有高潜力保护碳免受分解（Bossuyt等，2005年）。

粪便中SOM的稳定化涉及物理机制，如稳定聚集体和无氧微环境的形成，以及化学和生化机制，包括有机-矿物络合、腐殖化和钙化腺分泌碳酸钙沉淀（Canti和Piearce，2003年；Six等，2004年；Thomas等，2020年）。尽管对大型动物对土壤结构和SOM循环贡献的理解已取得进展，但粪便中有机-矿物相互作用形成机制及其本质仍然知之甚少，特别是对于热带蚯蚓物种而言。

这一知识空白在热带土壤尤其相关，如红壤（Oxisol），高度风化且以铁和铝氧化物为主，是碳稳定化过程的核心（Barthod等，2020年；Le Mer等，2022年；Carvalho等，2023年）。由于阳离子交换量（CEC）低，这些土壤依赖SOM作为交换性阳离子的主要来源和肥力的贡献者（van Wambeke，1992年）。红壤的土地利用变化也导致土壤碳大量损失（Villela等，2026年），这进一步强调了支持SOM保持（Zinn等，2005年）和长期生产力的实践需求。

蚯蚓可以影响土壤有机质形成的两大主要途径。通过分解植物残体并将其与矿物土壤混合，它们加速了植物来源碳向颗粒有机质（POM）的转移，以及随后微生物将其转化为矿物结合有机质（MAOM）的过程（Vidal等，2019年；Angst等，2024年）。同时，肠道通过和粪便形成可以改变活性铁和铝相以及控制MAOM稳定化的官能团化学，因为短程有序的铁和铝（氧）氢氧化物为有机化合物提供高亲和力的吸附位点，而官能团组成的变化会改变有机质与矿物表面的结合方式（K?gel-Knabner等，2008年；Kleber等，2015年；Hall等，2018年；Barthod等，2020年）。因此，表征这些活性相和MAOM的化学组成对于理解蚯蚓如何在粪便中塑造碳稳定化至关重要。

在此背景下，深栖型蚯蚓通过建造深层垂直洞穴并将地表残体掺入矿物底土，促进了有机-矿物混合（Bottinelli等，2020年），有利于稳定聚集体形成和碳及养分的保持（Li等，2024年）。然而，其粪便中有机-矿物相互作用的具体效应尚未得到清晰表征，特别是在热带红壤中。为解决这一知识空白，我们研究了这些蚯蚓如何参与有机-矿物关联形成和土壤有机碳稳定化的机制，检验了三个假设：（i）蚯蚓粪便中POM和MAOM相对于邻近原状土壤富集；（ii）粪便形成改变了介导有机-矿物稳定化的活性铁和铝相；（iii）粪便形成改变了MAOM的化学组成。

章节摘要

材料与方法

本研究在巴西托坎廷斯州古鲁皮一个为期10年的田间试验中进行（11°43′45″ S，49°04′07″ W；海拔278米）。该地区属于热带湿润稀树草原气候（Aw，柯本气候分类；Alvares等，2013年），特点是冬季明显干旱，夏季降雨强烈，年平均温度26.1°C。土壤分类为典型灰泥岩土（红壤层，美国农业部土壤分类系统；Soil Survey Staff，2022年），以及

土壤有机碳（SOC）组分

蚯蚓粪便中的总SOC含量显著高于周围土壤（p < 0.05；图2）。这一差异由POM组分驱动（2000–20 μm粒径分级的总和），POM在粪便中也更高（p < 0.05），而MAOM在样品类型之间无显著差异（p > 0.05；图2）。

湿法化学提取

连续提取揭示了粪便与周围土壤之间矿物反应性的明显差异。NaPPi-可提取的铝和铁在粪便中显著较低（图3；p

讨论

总体而言，结果支持了三个假设中的两个，并仅部分支持了第一个假设。假设（i）得到部分证实：粪便中POM富集，但MAOM相对于邻近原状土壤并未富集。假设（ii）得到证实：粪便形成减少了NaPPi和草酸可提取的铁和铝蓄积池，表明介导有机-矿物稳定化的短程有序相被消耗，而结晶态（CBD可提取）氧化物保持不变。

结论

高度风化的红壤中，蚯蚓粪便主要通过POM的积累促进SOC富集，而没有相应的矿物结合碳增加。这一模式通过短-程-有序矿物相的减少得到证实，这些矿物相通常负责高-亲和力有机-矿物相互作用。同时，粪便表现出镁浓度增加以及羧基和脂族官能团富集，表明向阳离子-桥接

作者贡献声明

Beatriz da Silva Vanolli：撰写——原稿、可视化、概念化。Luan Aparecido Ferreira de Campos：可视化、调查。Francisco Ruiz：撰写——审阅与编辑、调查、形式化分析。Thomas dos Santos Trentin：撰写——审阅与编辑、调查、形式化分析。Rafael Braghieri Menillo：撰写——审阅与编辑、可视化、资源。Tiago Osório Ferreira：撰写——审阅与编辑、概念化。Maurício Roberto Cherubin：撰写

资金

本研究由多家机构提供资金。驻圣保罗大学（USP）的热带农业碳研究中心（CCARBON），由圣保罗研究基金会（FAPESP，资助号 2021/10573–4）支持，为项目发展做出贡献。此外，同样位于USP的温室气体创新研究中心（RCGI），由FAPESP（资助号 2014/50279–4和2020/15230–5）与壳牌公司合作资助。Beatriz S. Vanolli

利益冲突声明

作者声明以下可能存在潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Beatriz da Silva Vanolli报告获得了圣保罗州研究基金会的财务支持。Beatriz da Silva Vanolli报告获得了圣保罗大学理工学院气体创新研究中心的财务支持。Mauricio Roberto Cherubin报告获得了圣保罗大学碳中心的财务支持

致谢

作者感谢Caroline Andreatto Zanoli、Ana Clara Cavalcante Vilela、Maria Eduarda Santana Silva Fonseca、Gabriela Ferreira Codling和Gustavo Oliveira Silva在野外和实验室工作中提供的宝贵帮助。

Beatriz da Silva Vanolli|Luan Aparecido Ferreira de Campos|Francisco Ruiz|Thomas dos Santos Trentin|Rafael Braghieri Menillo|Tiago Osório Ferreira|Maurício Roberto Cherubin