粪肥与氮肥配施调控微生物生活史策略及生物标志物积累对土壤有机碳固持路径的影响

　　为解决干旱区农业土壤有机碳(SOC)固持机制不明确的问题，西北农林科技大学团队通过20年田间试验，揭示了粪肥与氮肥配施通过调控微生物生活史策略(K/r策略)和碳利用效率(CUE)，影响木质素酚类(plant-derived C)与微生物残体碳(MNC)对SOC的贡献比例。研究发现适度氮肥(120 kg N ha?1 )可缓解微生物氮限制，提升CUE至0.6，促进MNC积累；而高氮(240 kg N ha?1 )引发铵毒抑制细菌生物量。该研究为干旱区碳汇管理提供了理论依据，发表于《Geoderma》。

　　

在应对气候变化的全球行动中，土壤作为最大的陆地碳库，其有机碳(SOC)固持机制一直是科学界关注的焦点。特别是在中国黄土高原这类干旱农业区，低降水量(<600 mm/yr)和贫瘠土壤(SOC<8 g/kg)严重制约作物产量，而传统粪肥施用虽能提升土壤肥力，却可能因碳氮比(C/N)失衡引发微生物代谢效率下降的"悖论"。更棘手的是，当前对有机无机肥配施如何通过微生物生活策略调控SOC组分(植物源vs微生物源)的认识仍存在巨大空白，这直接影响了碳汇农业的精准管理。

针对这一科学难题，西北农林科技大学的研究团队在黄土高原开展了为期20年的定位试验，创新性地将微生物生活史理论(K/r策略)与生物标志物技术(氨基糖、木质素酚类)相结合，系统解析了粪肥(M)与氮肥(N)配施下SOC形成的"双路径"机制。研究发现，单纯粪肥虽使木质素对SOC贡献提升3.7-7.3%，但因引发C/N失衡(0.64 vs对照0.24)导致微生物碳利用效率(CUE)降低，反而使微生物残体碳(MNC)贡献下降20.7-29.4%。而120 kg N ha^?1
的适度氮肥通过将CUE提升至0.6，刺激r策略菌(变形菌门Proteobacteria)生长，促进木质素降解酶(过氧化物酶PER)活性，最终使MNC在SOC中占比提高15%。该成果为干旱区"碳增汇-稳产"协同提供了关键理论支撑。

研究采用了多尺度技术方法：通过碱性CuO氧化-气相色谱测定木质素酚类(V/S/C型单体)；基于氨基糖(胞壁酸MurA、氨基葡萄糖GluN)生物标志物量化微生物残体碳；利用高通量qPCR检测8种碳降解基因(lig/mnp等)；结合磷脂脂肪酸(PLFA)和16S/ITS测序分析微生物群落；采用酶化学计量模型计算CUE。

关键结果解析

3.1 土壤性质
粪肥使SOC(16.16→21.27 g/kg)和矿物结合有机碳(MAOC)显著增加，但引发C/N失衡(0.64)。氮肥通过提升矿质氮(Min-N)至82.21 mg/kg缓解失衡，但240 kg N ha^?1
处理出现铵毒现象(pH降至8.06)。

3.2 木质素酚类与MNC对SOC的贡献
粪肥使木质素酚类积累量翻倍(7.52→34.20 mg/kg)，其中香草醛(V)型增幅最大；而MNC贡献从28.5%(M0N0)降至20.1%(M45N0)。适度氮肥(M30N1)使细菌残体碳(BNC)提升31%。

3.3 微生物代谢特征
粪肥使水解酶活性升高但木质素酶活性降低，CUE从0.42降至0.31。氮肥使rrn操纵子拷贝数增至2.50，表明r策略菌富集。ECM/腐生菌比值在氮肥下暴跌100倍，证实群落功能转型。

3.4 调控机制
PCA分析显示CUE与MNC贡献度呈强相关(R²
=0.81)，而资源获取策略(A)与木质素积累正相关。阈值分析揭示Min-N>32.5 mg/kg会抑制细菌生物量合成。

结论与展望
该研究建立了"养分输入-微生物策略-SOC组分"的定量关系模型：粪肥通过"物理-化学"双重保护促进木质素积累，而氮肥则通过"代谢-群落"调控增强微生物残体途径。特别值得注意的是，120 kg N ha^?1
的"黄金比例"能使MAOC/SOC比值提高至0.77，这为黄土高原"有机无机配施"技术提供了精准参数。未来研究需关注亚表层碳循环及不同气候带的普适性规律，这对实现"双碳"目标下的农田固碳具有重要意义。