ISME：南土所梁玉婷组-不同气候条件下微生物代谢及残体介导施肥对土壤有机碳的影响
不同气候条件下微生物代谢及残体介导施肥对土壤有机碳的影响
Microbial metabolism and necromass mediated fertilization effect on soil organic carbon after long-term community incubation in different climates
Article，2021-3-12
The ISME Journal, [IF 9.180]
DOI：10.1038/s41396-021-00950-w
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-021-00950-w
第一作者：Haowei Ni(倪浩为)
通讯作者：Yuting Liang (梁玉婷)
合作作者：Xiaoyan Jing (荆晓艳)；Xian Xiao (肖娴)；Na Zhang (张娜)；Xiaoyue Wang (王晓玥)；Yueyu Sui (隋跃宇)；Bo Sun (孙波)
主要单位：
中国科学院南京土壤研究所 (State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, 71 East Beijing Road, Nanjing 210008, China)
中国科学院大学 (University of Chinese Academy of Sciences, No.19A Yuquan Road, Beijing 100049, China)
中国科学院生物能源与过程技术研究所 (Institute of BioEnergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, 266101, China)
中国科学院东北地理与农业生态研究所 (Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Academy of Sciences, Harbin, 150040, China)
摘要
Abstract
了解气候变化和长期人类活动对土壤有机碳(SOC)的影响以及微生物的介导(mediating)作用，对于维持农业生态系统土壤碳的稳定性至关重要。长期土壤移置下，相比未施肥处理土壤有机质的变化，施肥后土壤有机碳损失减少，其中芳香族碳(aromatic C)增加，烷氧碳(O-alkyl C)和羰基碳(Carbonyl C)的消耗降低。利用溴化丙啶(propidium monoazide, PMA)去除死细胞的DNA，分析了土壤中的活体微生物，其网络模块化解释了60.4%不稳定碳的变化。单细胞拉曼光谱结合D2O同位素标记，表明土壤移置后活菌对不稳定碳具有更高的代谢活性。与不施肥相比，在较温暖的气候条件下，施肥显著降低了土壤α-和β-葡萄糖苷酶活性，延缓了微生物的生长。施肥显著增加了土壤中氨基糖含量指征的残体微生物量，其对土壤稳定碳的贡献为22.3%。本研究强调了微生物代谢及残体对长期添加养分的土壤有机碳中难降解碳的实质性贡献。
引言
Introduction
土壤有机碳是陆地生态系统中最大的碳库，其动态变化直接影响全球碳平衡。土壤碳和氮循环紧密耦合，受气候变化和人类活动的影响。长期施肥增加了土壤养分的有效性，并持续地影响土壤碳动态变化。尽管施肥具有增加土壤碳储量的潜力，但长期而言，土壤碳的稳定性取决于未来气候变化。土壤有机碳对长期施肥的响应受温度和降水的影响。根据农业生态系统的长期野外观测，发现土壤养分和气候因子的交互影响决定了30%土壤有机碳的变异，这与微生物代谢、酶活性和残体微生物周转密切相关。
土壤微生物不仅能分解土壤有机质，还能代谢植物残体或通过合成代谢形成残体来稳定土壤碳。微生物残体通常与土壤矿物质表面紧密结合，被认为是相对稳定的。土壤微生物碳泵框架（Liang C et al, Nat Microbiol. 2017,2:17105）表明，微生物通过体外修饰和体内周转来调节土壤碳的积累。这意味着微生物代谢产物或残体作为难降解碳源对有机碳的贡献很大，而养分或易降解碳的添加也可以长期增加土壤有机质。这一过程受到多因素环境变化的强烈影响。因此，为了更好地理解农业土壤有机碳的积累和稳定性，需要进一步研究不同气候条件和长期施肥下微生物生理代谢和残体对土壤碳的贡献。
长期土壤移置实验被认为是模拟自然条件下多种环境因素综合变化的直观且有效的方法。从2005年开始，将我国北方(寒温带)的大断面黑土样带移置华中(暖温带)和华南(中亚热带)地区，以模拟田间多因素环境的变化。因此，本研究利用固态13C核磁共振技术对SOC的分子指纹图谱进行跟踪。采用PMA法和单细胞拉曼光谱结合重水(Raman-D2O)对活体土壤细菌结构和生理进行研究。同时测定了作为残体微生物指标的氨基糖含量。
结果
Result
不同气候下施肥对土壤有机碳及其官能团的影响
Effect of fertilization on amount and quality of SOC in different climate conditions
经过12年土壤移置，在较温暖的气候条件下(TransS2处理)，土壤有机碳的损失明显较少(图1)。我们进一步利用核磁共振技术确定有机碳分子官能团的变化(图1)。施肥显著提高了TransS2土壤稳定碳中芳香碳含量。Trans2施肥土壤的芳香性是TranS1的2.7倍，表明在较温暖的气候条件下，施肥增加了腐殖质化。对土壤不稳定碳而言，未施肥土壤中的烷氧碳和羰基碳含量降低；而施肥明显减缓了气候变暖条件下不稳定碳的损失。施肥降低了TransS2中烷基/烷氧基的比例，表明可能抑制了易降解碳的消耗。
图1 不同气候条件下施肥对有机碳及其分子官能团的影响
活体微生物代谢及残体对土壤有机碳的贡献
Contributions of live microbes and necromass to C components
施肥显著降低了TransS2中土壤α-和β-葡萄糖苷酶活性(图4a)。通过接种土壤悬浮液测试了活体微生物对不同碳源(淀粉和纤维素)的分解能力(图4b)。结果表明，施肥显著降低了淀粉和纤维素分解所产生的CO2。这表明，在TransS2中，施肥减少了不稳定碳和稳定碳的损失。此外，分别测定了活菌在淀粉和纤维素中的生长曲线(图4c)。在较温暖的气候条件下，施肥土壤中细菌的生长活性低于未施肥土壤。特别是在淀粉碳源中，施肥土壤中的细菌加速进入稳定期，而未施肥土壤中的细菌持续生长。
图4不同气候条件下土壤微生物对不同碳源的代谢能力及生长情况 a土壤酶活性(α-和β-葡萄糖苷酶) b微生物降解淀粉和纤维素的微观实验 c活体微生物在淀粉和纤维素碳源中的生长曲线
土壤氨基糖作为残体微生物的追踪剂。我们结果表明，在TransS2中，施肥显著增加了微生物残体的数量（图5a）。移置12年后，微生物残体的积累增加了。使用部分冗余分析估算了活的和死的微生物以及土壤地球化学属性对不稳定碳和稳定碳组分的贡献（图5b）。结果显示，活体微生物对不稳定碳组分的贡献为30.9％，远高于死微生物（1.1％）的贡献。对于稳定碳，残体微生物的贡献为22.3％，大于活微生物的贡献（6.4％）。该结果表明，残体微生物可能是形成土壤稳定碳的主要贡献者。
图5微生物残体对有机碳的贡献 a土壤中氨基糖含量作为坏死性生物标志物 b部分冗余分析(pRDA)估算土壤地球化学属性、活细菌生物量和死细菌氨基糖对土壤不稳定碳和稳定碳的影响
不同气候下微生物生理代谢及残体介导施肥对土壤有机碳的调控机制
本研究构建了一个概念框架，揭示了微生物生理代谢和残体对氮缺乏和充足条件下土壤有机碳封存的潜在调控机制(图6)。在温暖的气候下，施肥补充土壤稳定碳(芳香碳)，通过促进微生物残体的积累。另一方面，由于激发效应较小，活体微生物对有机碳不稳定碳组分(如烷氧碳、羰基碳等)的消耗较少。
图6不同气候条件下微生物对土壤有机碳分子官能团的潜在调控机制示意图
结论
Conclusion
本研究突出了施肥和不同气候条件联合效应下微生物代谢和残体对土壤有机碳固存的重要贡献。研究结果为温暖气候条件下构建土壤有机碳的农业管理提供了新的思路。养分或易降解C的添加也可以长期增加土壤有机质，这对于预测土壤碳库动态和促进碳固存来应对气候变化是至关重要的。在农业管理中，秸秆等难降解碳源形成土壤有机质是一个长期的过程。因此，将有机碳从不稳定态转化为持久性合成态的微生物持续转化是农业生态系统中储存有机碳的一种可行的方法。
参考文献
Ni, H., Jing, X., Xiao, X.et al.(2021). Microbial metabolism and necromass mediated fertilization effect on soil organic carbon after long-term community incubation in different climates. ISME J DOI：10.1038/s41396-021-00950-w