以免耕玉米秸秆还田为核心的保护性耕作措施是阻控东北黑土地退化，促进农田土壤有机碳（SOC）量质提升的重要举措。土壤微生物在外源有机质的分解转化以及SOC的生成积累中起到了关键的介导作用，土壤微生物碳泵概念体系的提出更是突出了土壤微生物生长死亡迭代同化产物-死亡残体对土壤碳固存的重要贡献。土壤微生物残体作为SOC的重要组成部分，不仅可以贡献其形成和稳定化，也可作为“过渡资源库”在微生物面对生境元素化学计量需求失衡时，被微生物分解利用。据此，微生物群落随机生长死亡与确定性的资源获取间的权衡是影响土壤微生物残体积累的关键因素。然而目前对于作物残体归还下，土壤微生物群落组装过程与微生物残体积累的偶联机制尚不清楚。
基于此，中国科学院沈阳应用生态研究所生态系统微生物学组依托“梨树模式”研发基地，分析了免耕不同秸秆还田量梯度下土壤微生物群落的组装过程，发现了微生物组装过程与残体积累效率对秸秆还田量的协同响应规律。结果显示，免耕秸秆还田条件下，确定性过程主导的细菌系统发育功能群相对丰度越高，越不利于微生物残体在SOC中的积累；而扩散限制主导的腐生真菌种类越丰富，越有利于SOC的积累（图1）。与免耕无秸秆还田相比，全量秸秆还田处理显著降低了微生物残体对SOC积累的贡献，这主要是由于该处理土壤碳氮比具有升高趋势，同质化筛选出了更多可分解微生物细胞壁的细菌类群（主要是Chitinophagaceae），也增强了对该类群中部分细菌的扩散限制，从而共同加剧了土壤微生物残体的分解（图2）；此外，全量秸秆还田限制了腐生真菌的扩散，显著提高了真菌丰富度和功能群间互作，促使被部分分解的作物残体进入SOC库，从而稀释了微生物残体对SOC积累的贡献（图2）。本研究表明，地上部的农田管理措施如能较好地平衡微生物随机生长死亡及其对外源资源的高效利用，将有利于保护特定生态位中的微生物残体免于被快速周转，从而促进微生物残体对土壤碳库数量和稳定性的贡献。
研究结果以“Microbial necromass contribution to soil carbon storage via community assembly processes” 为题于2024年8月发表在Science of the Total Environment期刊。中国科学院沈阳应用生态研究所副研究员朱雪峰为第一作者，梁超研究员为通讯作者。闵凯凯特别研究助理（中国科学院沈阳应用生态研究所）、冯凯助理研究员（中国科学院生态环境研究中心）、解宏图研究员（中国科学院沈阳应用生态研究所）、邓晔研究员（中国科学院生态环境研究中心）、何红波研究员（中国科学院沈阳应用生态研究所）和张旭东研究员（中国科学院沈阳应用生态研究所）为本研究的共同合作者。该研究得到国家自然科学基金青年基金、中国科学院先导专项A类项目和国家自然科学基金重点项目的支持。
图1 免耕玉米秸秆覆盖还田量梯度下土壤指标间相关性与因果关联
图2 土壤微生物群落组装与微生物残体在土壤有机碳库中的贡献对全量秸秆还田的潜在协同响应机制
