揭示微生物對激發效應和土壤碳平衡化學計量機制

記者4月18日從中國科學院亞熱帶農業生態研究所獲悉，該所研究員吳金水團隊聯合其他團隊，向淹水水稻土壤中添加低量（50%的土壤微生物生物量碳（MBC））和高量（500%的土壤MBC）碳13標記的葡萄糖，并分別設置了5個N、P和S肥添加梯度（NPS養分梯度），構建了不同的C、N、P和S的計量比梯度，在60天的培養期內觀測了土壤有機碳（SOC）的累積激發效應動態變化、土壤凈碳平衡指標和土壤酶活性，并結合碳13標記磷脂脂肪酸技術，探究了微生物調節淹水稻田土壤有機碳礦化的激發效應和有機碳積累的潛在策略和響應機制。

外源碳和養分輸入會影響微生物生長并引起土壤碳礦化激發效應，進而刺激土壤有機碳的形成和礦化。為解釋微生物生長、碳循環和養分可利用性之間的聯系，此前已有研究通過區分富營養微生物和寡營養微生物，并通過研究這兩種微生物的演替來探究機制。

但也有研究表明，富營養微生物既能適應養分充足的環境，也能適應養分貧乏的環境，使微生物活動和碳循環之間的關系復雜化。有研究提出，微生物生活史策略假設可以進一步用來預測微生物活動及其與環境的相互作用，并且激發效應被認為會影響微生物的生活策略。然而，養分和化學計量比如何影響SOC礦化的激發效應、SOC平衡以及碳循環與微生物生活策略的關系并不明確。

該項研究成果表明，在低量和高量葡萄糖輸入下，葡萄糖礦化度均隨NPS肥濃度的增加線性增加。然而，無養分添加處理的葡萄糖會導致微生物優先利用現成的可利用碳，導致了負的激發效應。在高量葡萄糖輸入背景下，隨著NPS養分輸入的增加，負激發效應的強度增加。在低量葡萄糖輸入背景下，正激發效應的強度隨著NPS養分輸入的增加而增加。高量葡萄糖添加伴隨著NPS養分輸入有利于高產策略微生物生長，增加了葡萄糖衍生的SOC積累。微生物生物量和磷脂脂肪酸（PLFA）中檢測到較高豐度的13C，且土壤凈碳平衡增加，證明了這一現象。

相比之下，低量葡萄糖添加伴隨著NPS養分輸入使資源獲取策略微生物占據主導地位，增加了SOC的礦化。因此，高碳輸入（即500%的土壤MBC），尤其在低N:P:S計量比之下，通過負激發效應和微生物衍生的碳積累，增加了土壤有機碳積累，這是由于微生物向Y-策略群落的轉變可以有效的利用資源。本研究強調了在水稻土施用有機肥時，也應考慮礦質施肥管理對促進微生物周轉和固碳的重要性。

“該研究提供了一個有趣且有價值的發現，為土壤有機碳礦化激發效應的復雜性和不確定性提供了有價值的信息。雖然此前有研究者已經研究了碳和養分對激發效應的影響，但本研究進一步評估了碳和養分的交互作用，主要是化學計量和底物供應。”該論文審稿人表示。

4月15日，這一成果在線發表于《土壤生物學與土壤生物化學》（Soil Biology and Biochemistry）上。該研究得到了國家自然科學基金和中科院亞熱帶農業研究所青年創新團隊項目等項目資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108669

微生物生活策略對激發效應和土壤碳平衡的化學計量調節機制的概念圖。受訪者 供圖