整合分析添加有機(jī)物料對我國農(nóng)田土壤微生物殘體的影響

摘要：微生物殘體作為有機(jī)碳形成的重要前體，對農(nóng)田土壤中碳的長期固存和穩(wěn)定至關(guān)重要。為探討有機(jī)物料添加對我國農(nóng)田土壤微生物殘體積累的影響，對來自27篇已發(fā)表文獻(xiàn)的共111組氨基糖（微生物殘體表征物質(zhì)）含量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，總結(jié)添加有機(jī)物料對農(nóng)田土壤氨基糖［氨基葡萄糖（glucosamine，GluN）、氨基半乳糖（galactosamine，GalN）、胞壁酸（muraic acid，MurN）及氨基糖總量］的積累特征，并利用氨基葡萄糖與胞壁酸的比值（GluN/MurN）和氨基葡萄糖與氨基半乳糖（GluN/GalN）的比值探討真菌和細(xì)菌殘體對土壤有機(jī)質(zhì)相對貢獻(xiàn)的影響。結(jié)果表明，添加有機(jī)物料顯著增加土壤微生物殘體的積累，其中土壤氨基糖增幅27.7%，GluN、GalN和MurN 的增幅分別為26.8%、24.1%、24.2%。糞肥對氨基糖和3種單糖的積累顯著高于秸稈，增幅為28.4%～37.6%；當(dāng)有機(jī)物料的年均碳投入量高于2 t·hm?2·a?1時，GluN、GalN、GluN/MurN和GluN/GalN顯著高于年均碳投入量低于2 t·hm?2·a?1，提高幅度分別為41.8%、41.1%、8.3%和4.1%；當(dāng)添加有機(jī)物料的年限超過10 a時，氨基糖、GluN和MurN的增幅（41.1%、39.9%和36.3%）顯著高于試驗(yàn)?zāi)晗薜陀?0 a。在氣候因素中，添加有機(jī)物料對氨基糖含量的積累在年均溫超過10 ℃（42.0%）和年降水大于800 mm（63.0%）時顯著高于年均溫小于5 ℃（17.9%）和年降水小于800 mm（28.2%和13.7%）。在土壤因素中，中性（pH 6～8）土壤和肥沃（土壤有機(jī)碳含量gt;12 g·kg?1）土壤的土壤氨基糖總量的積累最高，增幅分別為39.4%和43.0%。回歸分析表明，在一定范圍內(nèi)農(nóng)田土壤微生物殘體會隨著年降水、年均溫、有機(jī)物料施用量、有機(jī)物料碳投入量和試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾佣黾印＞C上，添加有機(jī)物料，特別是高碳投入量顯著增加了農(nóng)田土壤總氨基糖和氨基單糖的含量。有機(jī)物料施用下，溫暖濕潤地區(qū)肥沃中性的土壤有利于促進(jìn)土壤微生物殘體的積累。研究結(jié)果為確定添加有機(jī)物料對我國農(nóng)田土壤微生物殘體積累的最佳情景、促進(jìn)穩(wěn)定土壤有機(jī)碳的形成和封存提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)物料；氨基糖；微生物殘體；土壤有機(jī)碳；整合分析doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0424

中圖分類號：S154 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008‐0864（2025）02‐0180‐12

添加外源有機(jī)物料作為一種保護(hù)性耕作措施，能夠通過增加有機(jī)碳的直接輸入提升土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）含量[1]，或顯著改變微生物養(yǎng)分資源供應(yīng)和生理活性，使微生物的功能結(jié)構(gòu)和群落組成發(fā)生變化，進(jìn)而改善相關(guān)微生物介導(dǎo)的土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[2]。同時，土壤微生物憑借體外修飾和體內(nèi)周轉(zhuǎn)2種途徑將外源碳同化利用，并且通過續(xù)埋效應(yīng)將微生物殘體作為土壤中微生物源碳，連續(xù)不斷供給土壤，對土壤有機(jī)碳的固存發(fā)揮重要作用[3]。土壤微生物細(xì)胞壁中的重要組成成分土壤氨基糖（amino sugar，AS），在微生物死亡后穩(wěn)定存在于土壤中，可以用來指示微生物殘體在土壤中的動態(tài)積累過程。其中，土壤氨基糖中的氨基葡萄糖（glucosamine，GluN）主要來源于真菌的細(xì)胞壁，而胞壁酸（muramic acid，MurN）則唯一來源于細(xì)菌，這二者可以分別表征微生物的真菌殘體和細(xì)菌殘體。目前，氨基半乳糖（galactosamine，GalN）的來源仍存在較大爭議[4]，以往被認(rèn)為主要來源于細(xì)菌，但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)真菌的貢獻(xiàn)也不容忽視[5]。而氨基葡萄糖與胞壁酸比值（GluN/MurN）和氨基葡萄糖與氨基半乳糖比值（GluN/GalN）可以用來表示不同氨基單糖在土壤中積累的相對速度和真菌與細(xì)菌在有機(jī)質(zhì)中積累的相對貢獻(xiàn)[6]。因此，以氨基糖作為微生物殘體的標(biāo)識物，為深入研究有機(jī)物料添加下農(nóng)田土壤有機(jī)碳形成與轉(zhuǎn)化的微生物機(jī)制提供了新思路。

目前，國內(nèi)研究都集中于添加有機(jī)物料對微生物群落結(jié)構(gòu)或酶活性的影響，對微生物殘體影響的關(guān)注較少。有機(jī)物料種類和施用量對微生物殘體的影響存在一定的不確定性。Ding等[7]研究表明，添加秸稈和糞肥對農(nóng)田土壤氨基糖的含量影響沒有差異，高秸稈與低秸稈添加量對土壤氨基糖的含量影響也不存在差異。然而，Ye等[8]研究發(fā)現(xiàn)，添加糞肥對農(nóng)田土壤氨基糖含量的增幅顯著高于添加秸稈。Chen等[9]研究顯示，施用高量有機(jī)肥對農(nóng)田土壤氨基糖含量的提升效果顯著；Ding等[10]研究表明，高有機(jī)肥施用量與中有機(jī)肥施用量對土壤氨基糖的積累無顯著差異，且均顯著高于低有機(jī)肥施用量。另外，不同的氣候環(huán)境中土壤微生物殘體的積累也存在差異。Zeng等[11]研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高會降低土壤微生物殘體碳的積累；Hu等[12]研究顯示，增溫提升了細(xì)菌殘體碳含量但對真菌殘體碳沒有顯著影響；Chen等[13]研究發(fā)現(xiàn)，氨基糖含量隨著年均溫和年降水的增加逐漸下降。除此之外，添加有機(jī)物料引起的微生物殘體變化也受到土壤理化性質(zhì)的影響。土壤pH對微生物群落優(yōu)勢種群的選擇性顯而易見，導(dǎo)致土壤中的微生物殘體在酸性和堿性土壤中積累量不同[14]。在初始土壤有機(jī)碳含量較大的土壤中，微生物殘體積累更多，當(dāng)初始土壤有機(jī)碳含量較低時，會導(dǎo)致碳固存效率降低[15]。綜上所述，微生物殘體的積累對添加有機(jī)物料的響應(yīng)不一致，可能是由于管理措施、特定試驗(yàn)點(diǎn)的氣候和土壤因素的綜合影響所造成。

添加有機(jī)物料對微生物殘體物質(zhì)積累的影響以及對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)已經(jīng)在多個獨(dú)立研究中得到評估，但是尚未進(jìn)行全面的系統(tǒng)性總結(jié)。基于此，為進(jìn)一步明確在不同的環(huán)境因素下添加有機(jī)物料對我國農(nóng)田微生物殘體含量的影響，采用整合分析（Meta-analysis）方法，探討在不同氣候區(qū)域、土壤屬性和添加有機(jī)物料管理措施下我國農(nóng)田土壤微生物殘體積累的響應(yīng)差異，以期為深入理解農(nóng)田土壤微生物殘體積累的最佳情景，揭示微生物殘體積累的控制因素，增強(qiáng)我國農(nóng)田土壤固碳，改善土壤健康提供科學(xué)依據(jù)。