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GCB最新文章 | 表土和底土中微生物和植物源性碳的驱动因素

生态循环圈生态进化论 2023-10-06 21:45 发表于浙江

文章信息

期刊：Global Change Biology

题目：Drivers of microbially and plant-derived carbon in topsoil and subsoil

作者：Weigen Huang, Yakov Kuzyakov, Shuli Niu, Yu Luo, Bo Sun, Jiabao Zhang, Yuting Liang

发表日期：2023-09-21

研究背景

土壤有机质(SOM) 是植物和微生物衍生的聚合物及其降解产物的复杂混合物。阐明凋落物和土壤有机质的组成及其转化机制对预测和调控未来土壤碳储量变化具有重要意义。表层土和底土中SOM的组成和积累受特定因素的调控。深度大于30 cm的土壤有机质含量超过50%，在碳稳定和气候变化反馈中起决定性作用。然而，对底土的研究数量明显少于对表土性质和过程的深入研究。我们对土壤剖面上SOM组分的垂直格局和主导驱动因素的了解对于全面了解气候变化下的碳动态至关重要。

微生物在植物残体向微生物C转化过程中起着至关重要的作用。微生物的代谢活性和对C源的选择性利用决定了植物源C向微生物源C转化的潜力。表土具有持续大量植物C输入和高微生物活性的特点。表层土壤中的微生物比底层土壤中的微生物更多地利用植物凋落物和根系分泌物作为其主要的碳源，导致植物C的分解速度更快，微生物C的积累速度更高。由于植物凋落物和根系沉积物提供的有效有机质较少，因此底层土壤比表层土壤更受基质限制。因此，下层土壤中的微生物可能比表层土壤中的微生物利用更多的微生物C来维持其生物功能。

与表层土壤相比，底土土壤有机质含量较低，微生物群落以少营养为主，影响土壤有机质中植物源和微生物源C的积累和转化。较高的植物碳输入，特别是地上碳输入，导致草地0~10 cm土壤植物源碳比例高于40~50 cm土壤，微生物碳比例较低。随着凋落物的腐烂，微生物将可利用的碳转化为相对稳定的微生物来源的碳，包括微生物坏死块和一些代谢物。因为微生物倾向于附着在表面，微生物残留物会积聚在粘土矿物上。随着土壤深度的增加，由于土壤中矿物质和铁/铝(氧) 氧化物的保护作用更强，土壤中粘土含量比表层土高，微生物源碳对土壤有机质的贡献可能会增加。因此，考虑到土壤有机质有效性、微生物群落结构和土壤性质随深度的变化，影响土壤有机质组成的因素在表层土和底土中至少部分不同。

研究方法

本研究收集了90个土壤样品，深度为100 cm，分别来自海伦(126°38 ' E, 47°26 ' N)、常熟 (120°40 ' E, 31°33 ' N) 和鹰潭 (116°56 ' E, 28°13 ' N) 3个温带的3种典型土壤: Mollisols、 Inceptisols和Ultisols。采用固态13C核磁共振(13C-NMR)技术，结合分子混合模型和生物标志物分析，对表层和底土SOM的分子指纹图谱进行了追踪。通过计算微生物源性C与植物源性C的比值 (CM:P) 来表征土壤有机质的组成，并对表层土和底土的主要影响因素进行了探讨。随后，我们从已发表的文章中收集了SOM中C的功能群数据，并根据分子来源将其分为植物和微生物来源的C。最后，该研究探讨了影响全球土壤剖面中CM:P含量的关键因素。考虑到表层土壤中植物C输入量大，表层土壤微生物活性高，本研究提出假设: (1)表层土壤中CM:P随SOM含量增加的变化速度快于底土; (2) 表层土壤和底土中CM:P的驱动因素不同，表层土壤中植物C输入对CM:P的影响大于底土，而微生物群落结构主要影响表层土壤中CM:P。

研究结果

表层土壤(0-40cm) 富含碳水化合物和木质素 (38%-50%)，而底土层土壤(40-100cm) 则含有更多的蛋白质和脂类 (26%-60%)。

植物碳的比例随着SOM含量的增加而增加，微生物碳的比例则随着SOM含量的增加而减少。

在区域研究和meta分析中，随着 SOM 含量的增加，表层土壤中微生物源C与植物源C 之比（CM:P）的下降速度比底层土壤快 23%-30%。

表层土壤通过强烈的微生物转化和微生物残体的形成，具有很高的稳定植物源碳的潜力。植物碳输入和年平均土壤温度是决定表层土壤CM:P的主要因素，而真菌细菌比值和粘土含量是影响底土CM:P的主要因素。

结合区域研究和meta分析，该研究强调了植物凋落物对1 m土壤深度有机质的微生物残体的贡献，并阐明了调节其长期保存的主要因素。

图1. 三种水稻表层土和底土(Mollisols、Inceptisols和Ultisols) 中有机碳的官能团 (左) 和组成 (右)

图2. 表层土(黄色) 和底土 (蓝色) 中植物和微生物来源的碳、木质素酚和氨基糖对土壤有机质的贡献

图3. 土壤微气候因素、土壤地球化学性质、植物碳输入量、pH值和真菌与细菌比率(F:B) 对稻田土壤中微生物/植物碳比率(CM:P)的贡献(取决于深度)

图4. 植物和微生物源的碳对表层土壤 (黄色) 和底土 (蓝色)有机质贡献的meta分析

图5. 生物和非生物因子对微生物/植物C比(CM:P)随深度的调节

研究结论

综合区域研究和meta分析，表层土壤CM:P的变化速度是底土层土壤CM:P变化速度的1.2~1.3倍。这表明表层土壤具有将植物来源的碳转化为更稳定的微生物来源的碳的重要潜力。CM:P随着SOM含量的增加而降低，突出了微生物来源的C在SOM稳定中的关键作用。植物碳和微生物碳的主要调控因子具有深度依赖性，植物 C 输入量和土壤温度决定了表层土壤的 CM:P，而微生物群落结构和粘土含量则是底土层土壤的主要因素。表层土壤中的 CM:P 随真菌与细菌比例的增加而减少，但在底层土壤中却有所增加。这表明，微生物群落结构与植物碳输入量和粘土含量相结合，是影响 SOM 组成的关键因素。

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