来源：土壤有机矿物互作（2024年12月11日）
解读：杨子杰 中国科学院生态环境研究中心
指导：伍松林 中国科学院生态环境研究中心
指导：武慧 中国科学院生态环境研究中心
研究亮点
微生物残体对土壤有机碳贡献的定量评估：研究提供了关于微生物残体对土壤有机碳贡献的定量信息，特别是在生物土壤结皮初期形成阶段，填补了这一领域的知识空白。 生物土壤结皮初期形成的独特性：探讨了生物土壤结皮初期形成过程中微生物残体积累和分解的独特性，揭示了与完全发育土壤相比，微生物残体贡献较低的原因。 微生物氮限制和粘土保护的关键作用：研究强调了微生物氮限制和粘土保护在微生物残体积累和分解过程中的关键作用，这为理解土壤碳循环提供了新的视角。
研究思路
摘要
微生物残体被视为土壤有机碳（SOC）积累的主要来源，特别是在生物土壤结皮（biocrusts）的初期形成阶段。尽管微生物残体在土壤碳循环中扮演重要角色，但关于其在biocrusts初期形成过程中对SOC积累的贡献，以及驱动微生物残体积累、分解和稳定化的因素，目前仍缺乏定量信息。本研究通过调查biocrusts形成过程中的微生物残体组成，探讨了其在SOC固定中的作用。研究在黄土高原的沙质土壤上进行，包括裸沙（Bare sand）、蓝藻阶段（Cy）、蓝藻-苔藓阶段（Cy-Mo）、苔藓-蓝细菌阶段（Mo-Cy）和苔藓阶段（Mo）等五个阶段。发现微生物残体对SOC的贡献在12%到25%之间，其中真菌残体对SOC的贡献高于细菌残体。微生物残体主要通过颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）的形式参与SOC的积累。研究还发现，微生物氮限制和粘土保护是影响微生物残体积累和分解的关键因素。这些发现有助于理解biocrusts在初期土壤形成过程中的作用，特别是在干旱和半干旱地区的碳循环和土壤质量改善方面。
科学问题
微生物残体物质，包括真菌和细菌残体物质，在生物结皮形成时间序列中初始土壤形成过程中如何促进 SOC 积累？
细胞外酶、有效营养物质、颗粒物和矿物相关有机 C 对微生物残体量积累有什么影响？
哪些土壤特性是微生物残体量积累和分解的最关键决定因素(基于微生物养分限制及其残体量含量)？
结果
微生物残体对SOC积累的贡献
研究发现，在biocrusts的初期形成过程中，与裸沙相比，0-2厘米土壤层中的真菌和细菌残体含量增加（图1a-b）。微生物残体对SOC的贡献范围在12%到25%之间，且真菌残体对SOC的贡献高于细菌残体（图1c-d）。此外，随着biocrusts的形成，真菌和细菌残体的比例发生了变化，真菌残体的比例增加。细菌残体对SOC的贡献范围在2.6%到约7.7%，而真菌残体在不同biocrusts阶段对SOC的贡献范围在10%到21%（图1e-f）。微生物残体与SOC之间存在正相关关系，表明微生物残体是SOC积累的重要来源。
图 1.各阶段中真菌残体量碳(C)和细菌残体量C的动态变化
微生物营养限制和粘土含量对微生物残体积累和分解的影响
研究发现，随着biocrusts的形成，与氮获取相关的酶活性增加，包括β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨肽酶(LAP)和碱性磷酸酶(AP)，这表明微生物对氮的需求增加。通过酶活性与微生物生物量比例的分析，发现微生物营养限制随biocrusts的形成而减少，特别是氮限制。微生物残体与酶活性之间存在正相关关系，表明微生物残体的积累与酶活性的增加有关（图2）。研究还发现，粘土含量与微生物残体积累之间存在正相关关系，表明粘土含量对微生物残体的积累有保护作用。微生物残体与SOC之间存在正相关关系，表明微生物残体是SOC积累的重要来源（图3）。
图 2.各阶段中与氮获取相关酶活性的动态变化
图 3.a:BSC水平和土壤中酶化学计量的载体向量和角度。b~f:土壤酶活性的化学计量分析
Biocrusts形成和微生物残体积累对土壤有机质组分的影响
研究发现，SOC含量与POC和MAOC含量呈正相关，表明这些组分共同参与了SOC的积累（图4a）。微生物残体与土壤有机质组分之间存在正相关关系，表明微生物残体是土壤有机质组分形成的重要来源（图4b）。POC与MAOC之间存在正相关关系，表明POC和MAOC在SOC积累中相互关联。粘土含量与微生物残体积累之间存在正相关关系，表明粘土含量对微生物残体的积累有保护作用。微生物残体与土壤粘土和粉砂含量之间存在正相关关系，表明较高的粘土和粉砂含量有助于微生物残体的积累（图5d-e）。
图 4.SOC与POC和MAOC的回归分析; 真菌、细菌和微生物残体团C与微生物残体质量C和SOC各形式的回归分析
图 5.微生物残体质量C与SOC各类形式的回归分析；土壤粘土和淤泥含量与细菌和真菌残体质量C的回归分析
总结
本文探讨了生物土壤结皮在黄土高原初期土壤形成过程中对土壤有机碳积累的贡献，微生物残体作为土壤有机碳的主要来源，尤其是在生物土壤结皮的初期形成阶段；生物土壤结皮初期形成的独特性，包括微生物对氮的需求和粘土保护对微生物残体积累和再循环的控制；揭示了微生物营养限制和粘土含量在生物土壤结皮初期形成过程中对微生物残体积累和分解的关键作用。
参考文献：
Wang, B.-R., Huang, Y., Li, N., Yao, H., Yang, E., Andrey Soromotin, Yakov Kuzyakov, V.S. Cheptsov, Yang, Y. and An, S. (2022). Initial soil formation by biocrusts: Nitrogen demand and clay protection control microbial necromass accrual and recycling. Soil Biology and Biochemistry,167(108607),pp.108607–108607. doi:https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108607.
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