以免耕玉米秸稈還田為核心的保護性耕作措施是阻控東北黑土地退化,促進農田土壤有機碳(SOC)量質提升的重要舉措。土壤微生物在外源有機質的分解轉化以及SOC的生成積累中起到了關鍵的介導作用,土壤微生物碳泵概念體系的提出更是突出了土壤微生物生長死亡迭代同化產物-死亡殘體對土壤碳固存的重要貢獻。土壤微生物殘體作為SOC的重要組成部分,不僅可以貢獻其形成和穩(wěn)定化,也可作為“過渡資源庫”在微生物面對生境元素化學計量需求失衡時,被微生物分解利用。據此,微生物群落隨機生長死亡與確定性的資源獲取間的權衡是影響土壤微生物殘體積累的關鍵因素。然而目前對于作物殘體歸還下,土壤微生物群落組裝過程與微生物殘體積累的偶聯機制尚不清楚。
基于此,中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所生態(tài)系統(tǒng)微生物學組依托“梨樹模式”研發(fā)基地,分析了免耕不同秸稈還田量梯度下土壤微生物群落的組裝過程,發(fā)現了微生物組裝過程與殘體積累效率對秸稈還田量的協同響應規(guī)律。結果顯示,免耕秸稈還田條件下,確定性過程主導的細菌系統(tǒng)發(fā)育功能群相對豐度越高,越不利于微生物殘體在SOC中的積累;而擴散限制主導的腐生真菌種類越豐富,越有利于SOC的積累(圖1)。與免耕無秸稈還田相比,全量秸稈還田處理顯著降低了微生物殘體對SOC積累的貢獻,這主要是由于該處理土壤碳氮比具有升高趨勢,同質化篩選出了更多可分解微生物細胞壁的細菌類群(主要是Chitinophagaceae),也增強了對該類群中部分細菌的擴散限制,從而共同加劇了土壤微生物殘體的分解(圖2);此外,全量秸稈還田限制了腐生真菌的擴散,顯著提高了真菌豐富度和功能群間互作,促使被部分分解的作物殘體進入SOC庫,從而稀釋了微生物殘體對SOC積累的貢獻(圖2)。本研究表明,地上部的農田管理措施如能較好地平衡微生物隨機生長死亡及其對外源資源的高效利用,將有利于保護特定生態(tài)位中的微生物殘體免于被快速周轉,從而促進微生物殘體對土壤碳庫數量和穩(wěn)定性的貢獻。
研究結果以“Microbial necromass contribution to soil carbon storage via community assembly processes” 為題于2024年8月發(fā)表在Science of the Total Environment期刊。中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所副研究員朱雪峰為第一作者,梁超研究員為通訊作者。閔凱凱特別研究助理(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所)、馮凱助理研究員(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心)、解宏圖研究員(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所)、鄧曄研究員(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心)、何紅波研究員(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所)和張旭東研究員(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所)為本研究的共同合作者。該研究得到國家自然科學基金青年基金、中國科學院先導專項A類項目和國家自然科學基金重點項目的支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.175749?

圖1 免耕玉米秸稈覆蓋還田量梯度下土壤指標間相關性與因果關聯

圖2土壤微生物群落組裝與微生物殘體在土壤有機碳庫中的貢獻對全量秸稈還田的潛在協同響應機制




