整合分析添加有機物料對我國農(nóng)田土壤微生物殘體的影響

摘要：微生物殘體作為有機碳形成的重要前體，對農(nóng)田土壤中碳的長期固存和穩(wěn)定至關(guān)重要。為探討有機物料添加對我國農(nóng)田土壤微生物殘體積累的影響，對來自27篇已發(fā)表文獻的共111組氨基糖（微生物殘體表征物質(zhì)）含量數(shù)據(jù)進行整合分析，總結(jié)添加有機物料對農(nóng)田土壤氨基糖［氨基葡萄糖（glucosamine，GluN）、氨基半乳糖（galactosamine，GalN）、胞壁酸（muraic acid，MurN）及氨基糖總量］的積累特征，并利用氨基葡萄糖與胞壁酸的比值（GluN/MurN）和氨基葡萄糖與氨基半乳糖（GluN/GalN）的比值探討真菌和細菌殘體對土壤有機質(zhì)相對貢獻的影響。結(jié)果表明，添加有機物料顯著增加土壤微生物殘體的積累，其中土壤氨基糖增幅27.7%，GluN、GalN和MurN 的增幅分別為26.8%、24.1%、24.2%。糞肥對氨基糖和3種單糖的積累顯著高于秸稈，增幅為28.4%～37.6%；當有機物料的年均碳投入量高于2 t·hm?2·a?1時，GluN、GalN、GluN/MurN和GluN/GalN顯著高于年均碳投入量低于2 t·hm?2·a?1，提高幅度分別為41.8%、41.1%、8.3%和4.1%；當添加有機物料的年限超過10 a時，氨基糖、GluN和MurN的增幅（41.1%、39.9%和36.3%）顯著高于試驗年限低于10 a。在氣候因素中，添加有機物料對氨基糖含量的積累在年均溫超過10 ℃（42.0%）和年降水大于800 mm（63.0%）時顯著高于年均溫小于5 ℃（17.9%）和年降水小于800 mm（28.2%和13.7%）。在土壤因素中，中性（pH 6～8）土壤和肥沃（土壤有機碳含量gt;12 g·kg?1）土壤的土壤氨基糖總量的積累最高，增幅分別為39.4%和43.0%。回歸分析表明，在一定范圍內(nèi)農(nóng)田土壤微生物殘體會隨著年降水、年均溫、有機物料施用量、有機物料碳投入量和試驗年限的增加而增加。綜上，添加有機物料，特別是高碳投入量顯著增加了農(nóng)田土壤總氨基糖和氨基單糖的含量。有機物料施用下，溫暖濕潤地區(qū)肥沃中性的土壤有利于促進土壤微生物殘體的積累。研究結(jié)果為確定添加有機物料對我國農(nóng)田土壤微生物殘體積累的最佳情景、促進穩(wěn)定土壤有機碳的形成和封存提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有機物料；氨基糖；微生物殘體；土壤有機碳；整合分析doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0424

中圖分類號：S154 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2025）02‐0180‐12

添加外源有機物料作為一種保護性耕作措施，能夠通過增加有機碳的直接輸入提升土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量[1]，或顯著改變微生物養(yǎng)分資源供應和生理活性，使微生物的功能結(jié)構(gòu)和群落組成發(fā)生變化，進而改善相關(guān)微生物介導的土壤有機碳周轉(zhuǎn)和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[2]。同時，土壤微生物憑借體外修飾和體內(nèi)周轉(zhuǎn)2種途徑將外源碳同化利用，并且通過續(xù)埋效應將微生物殘體作為土壤中微生物源碳，連續(xù)不斷供給土壤，對土壤有機碳的固存發(fā)揮重要作用[3]。土壤微生物細胞壁中的重要組成成分土壤氨基糖（amino sugar，AS），在微生物死亡后穩(wěn)定存在于土壤中，可以用來指示微生物殘體在土壤中的動態(tài)積累過程。其中，土壤氨基糖中的氨基葡萄糖（glucosamine，GluN）主要來源于真菌的細胞壁，而胞壁酸（muramic acid，MurN）則唯一來源于細菌，這二者可以分別表征微生物的真菌殘體和細菌殘體。目前，氨基半乳糖（galactosamine，GalN）的來源仍存在較大爭議[4]，以往被認為主要來源于細菌，但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)真菌的貢獻也不容忽視[5]。而氨基葡萄糖與胞壁酸比值（GluN/MurN）和氨基葡萄糖與氨基半乳糖比值（GluN/GalN）可以用來表示不同氨基單糖在土壤中積累的相對速度和真菌與細菌在有機質(zhì)中積累的相對貢獻[6]。因此，以氨基糖作為微生物殘體的標識物，為深入研究有機物料添加下農(nóng)田土壤有機碳形成與轉(zhuǎn)化的微生物機制提供了新思路。

目前，國內(nèi)研究都集中于添加有機物料對微生物群落結(jié)構(gòu)或酶活性的影響，對微生物殘體影響的關(guān)注較少。有機物料種類和施用量對微生物殘體的影響存在一定的不確定性。Ding等[7]研究表明，添加秸稈和糞肥對農(nóng)田土壤氨基糖的含量影響沒有差異，高秸稈與低秸稈添加量對土壤氨基糖的含量影響也不存在差異。然而，Ye等[8]研究發(fā)現(xiàn)，添加糞肥對農(nóng)田土壤氨基糖含量的增幅顯著高于添加秸稈。Chen等[9]研究顯示，施用高量有機肥對農(nóng)田土壤氨基糖含量的提升效果顯著；Ding等[10]研究表明，高有機肥施用量與中有機肥施用量對土壤氨基糖的積累無顯著差異，且均顯著高于低有機肥施用量。另外，不同的氣候環(huán)境中土壤微生物殘體的積累也存在差異。Zeng等[11]研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高會降低土壤微生物殘體碳的積累；Hu等[12]研究顯示，增溫提升了細菌殘體碳含量但對真菌殘體碳沒有顯著影響；Chen等[13]研究發(fā)現(xiàn)，氨基糖含量隨著年均溫和年降水的增加逐漸下降。除此之外，添加有機物料引起的微生物殘體變化也受到土壤理化性質(zhì)的影響。土壤pH對微生物群落優(yōu)勢種群的選擇性顯而易見，導致土壤中的微生物殘體在酸性和堿性土壤中積累量不同[14]。在初始土壤有機碳含量較大的土壤中，微生物殘體積累更多，當初始土壤有機碳含量較低時，會導致碳固存效率降低[15]。綜上所述，微生物殘體的積累對添加有機物料的響應不一致，可能是由于管理措施、特定試驗點的氣候和土壤因素的綜合影響所造成。

添加有機物料對微生物殘體物質(zhì)積累的影響以及對土壤有機碳的貢獻已經(jīng)在多個獨立研究中得到評估，但是尚未進行全面的系統(tǒng)性總結(jié)。基于此，為進一步明確在不同的環(huán)境因素下添加有機物料對我國農(nóng)田微生物殘體含量的影響，采用整合分析（Meta-analysis）方法，探討在不同氣候區(qū)域、土壤屬性和添加有機物料管理措施下我國農(nóng)田土壤微生物殘體積累的響應差異，以期為深入理解農(nóng)田土壤微生物殘體積累的最佳情景，揭示微生物殘體積累的控制因素，增強我國農(nóng)田土壤固碳，改善土壤健康提供科學依據(jù)。