【摘要】 浙江大学符颖怡团队通过δ¹³C标记与宏基因组分析，揭示秸秆还田中矿物结合有机质（MAOM）较颗粒有机质（POM）具有更快碳周转与更高固碳能力，首次明确微生物功能分异驱动碳积累与矿化的机制，为农田碳库管理提供理论依据。

题目：

Faster soil organic carbon turnover in MAOM versus POM: straw input causes larger microbial driven soil organic carbon decomposition but higher straw accumulation in MAOM   矿物结合有机质（MAOM）中的土壤有机碳周转速度高于颗粒有机质（POM）：秸秆输入虽促进微生物分解有机碳，反而提升其在MAOM中的积累量

期刊名称：Soil & Tillage Research

影响因子：IF=6.1

测试项目：δ¹³C同位素、CO2、土壤有机碳（SOC）、矿物结合有机质（MAOM）、高通量测序等

通讯作者：浙江大学资源与环境学院符颖怡

 

摘要

本研究旨在揭示秸秆还田过程中，土壤有机碳（SOC）在颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM）两大组分中的动态及其微生物驱动机制。通过超声分级和密度分离，有效分离POM与MAOM，并在87天的孵育实验中，利用13C标记玉米秸秆，系统考察了秸秆碳在不同组分内的转化、矿化及微生物群落变化。结果显示，MAOM较POM具有更快的SOC周转和更强的秸秆碳稳定化能力，主要归因于有机-矿物强吸附及高效微生物代谢；MAOM中的微生物偏向利用易分解碳源并富集生物质合成通路，促进微生物残体的积累与稳定，而POM则富集分解复杂碳源的功能基因，后期以K策略微生物主导。该研究首次明确了POM与MAOM中秸秆碳转化的差异性微生物过程，对理解田间还田措施对土壤碳库增汇机理及微生物作用模式具有重要参考价值。

 

创新点

 

为减小对微生物群落影响，提出分离POM和MAOM新方法

通过傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)分析，研究发现微塑料(MPs)显著降低了土壤DOM的化学多样性，增强了木质素类化合物的降解，同时降低了DOM的稳定性。这些结果首次明确了不同MPs在土壤生态系统中对DOM的化学特性和转化路径的影响，为预测生态系统碳循环动态提供了重要理论依据。

 

揭示POM与MAOM中秸秆碳转化和微生物功能的分异机制

研究发现，在种植土壤中，植物根际效应能够显著缓解微塑料诱导的CO₂排放和碳矿化效应。相比未种植土壤，根际效应减少了微塑料对土壤微生物组成和代谢活动的干扰，增强了系统的稳定性。这一发现为理解植物-微生物-污染物交互作用机制提供了新的视角，突出了植物在生态系统抗逆性和恢复力中的重要调节作用。

 

明晰秸秆碳在POM与MAOM间转化路径及其对土壤碳库的影响

通过微生物共现网络分析，研究发现微塑料显著改变了土壤微生物网络的模块化结构和连接密度。在未种植土壤中，微塑料提供了新的微生物附着点和栖息地，增强了微生物间的连接性；而在种植土壤中，微塑料加剧了微生物间竞争，从而降低了网络密度。这一发现为深入理解微塑料如何驱动土壤微生物生态网络的动态变化提供了新见解。

 

研究结果

一、秸秆还田后，POM和MAOM在新碳转化、矿化和固持上的差异性，强调了MAOM在新碳长期保存和SOC矿化中的关键作用，而POM则主要负责新输入有机碳的快速分解和短期周转。

Fig.1A：展示了不同组分中SOC矿化产生CO₂的累积量。MAOM中的SOC矿化速率高于POM，与未分组的原始土壤相当，说明MAOM对SOC矿化贡献显著。

Fig.1B：说明POM中秸秆来源CO₂的释放量显著高于MAOM，尤其在28天和87天时最明显，说明POM更易分解新输入的有机碳。

Fig.1C：展示了POM和MAOM中秸秆-13C的含量随时间的变化。随着培养时间延长，MAOM中秸秆13C的累积量逐步增加，最终MAOM对新碳的保留量高于POM，说明MAOM是新碳长期固持的主要库。

Fig.1D：展示了MAOM中铁（Fe）和钙（Ca）结合的秸秆13C随时间的变化。Fe-OC和Ca-OC均参与了新碳在MAOM中的积累，且Fe结合的有机碳贡献更大，表明不同矿物结合机制对新碳固持有重要作用。

Fig.1：土壤有机碳（SOC）及其不同组分（POM和MAOM）在秸秆还田过程中碳矿化和积累的动态变化

 

二、POM和MAOM在细菌多样性、群落结构及优势类群等方面存在显著差异。

  • Fig.2A：随着培养时间的延长，MAOM中的细菌多样性逐渐增加，而POM中的多样性变化幅度较小，说明MAOM中微生物群落结构更易因外源碳输入而丰富多样。

  • Fig.2B：POM和MAOM的细菌群落结构在不同时间点呈现明显分化，且随时间推移这种分化趋势更加突出，说明两组分微生物群落对环境变化反应不同且具有动态演替特征

  • Fig.2C：不同细菌门在POM和MAOM中的丰度表现出显著差异，且这种差异随培养时间推移而动态调整，反映了微生物功能群对碳源和环境的适应性分布。

  • Fig.2D：部分细菌类群在POM和MAOM之间表现出时间变化的富集或减少，进一步体现了两组分微生物组成的分化及其对碳循环的潜在影响。

Fig.2：POM 和 MAOM 组分中的细菌群落

 

三、POM与MAOM中微生物群落的底物利用特征及其功能代谢通路之间存在差异，反映出两种有机碳组分对微生物碳循环功能的不同调控机制。

  • Fig.3A：POM相关微生物更偏向于分解复杂结构的多糖类底物（如纤维素、半纤维素和木质素），而MAOM中的微生物则富集于分解简单糖类和微生物细胞壁成分（如阿拉伯聚糖、果聚糖、壳聚糖等）相关的功能基因。

  • Fig.3B：POM中富集的通路包括甲苯降解、次级代谢、光合作用以及生物素和抗生素的合成等；而MAOM中则富集于与矿物吸收、细胞生长和生物大分子合成（如不饱和脂肪酸生物合成、蛋白质合成、RNA降解等）相关的通路，表明MAOM微生物更倾向于生物量生产和维持生长。

Fig.3：POM和MAOM组分中微生物对不同底物的利用能力

 

研究结论

通过测定CO₂释放量及δ¹³C值，量化秸秆碳的矿化与固定区分秸秆来源碳与原有土壤碳的动态，明确POM和MAOM对秸秆碳的固定效率及SOC矿化的贡献差异。通过16S rRNA基因测序与宏基因组分析测试揭示POM和MAOM中微生物群落的演替规律及其功能分化。MAOM通过矿物吸附固定更多秸秆碳（如Fe/钙结合碳），但其SOC矿化强度显著高于POM，可能与微生物共代谢加速原有SOC分解有关。POM中秸秆碳矿化量更高，但因其物理保护作用（如大孔隙通气性），整体碳固定效率低于MAOM。该研究通过多维度分析，揭示了POM和MAOM中微生物驱动的碳动态差异，为优化秸秆还田策略以提升土壤固碳潜力提供了理论依据。

 

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