科研 | 沈阳农业：长期差异施肥改变了秸秆分解过程中秸秆源活性有机碳组分及微生物群落（国人佳作）

编译：微科盟温水，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读  

秸秆还田是实现全球农业可持续发展的管理战略。然而，在秸秆分解过程中，土壤活性有机碳（SOC）组分和微生物群落随不同施肥的时间变化目前尚不清楚。因此，在本研究中，我们采集了田间三种施肥方式（CK，不施肥对照；IF，无机肥；IFM，无机有机肥配施）的表土层样品（0~20 cm），利用带有和不带有13C标记的玉米秸秆（δ13C =246.9%）进行了田间原位微区培养（150天）实验。结果表明：（1）土壤中秸秆源碳主要以颗粒有机碳（POC）的形式存在。添加秸秆的处理中（CKS、IFS和IFMS）中秸秆源POC含量显著增加，分别是CK、IF和IFM处理的3、5和20倍；同时秸秆源可溶有机碳（DOC）含量分别显著降低了71%、57% 和95 %；培养结束时（第150天），秸秆源微生物量碳（MBC）从高到低依次为40.6 mg kg-1（IFMS）、33.0 mg kg-1（IFS）和27.0 mg kg-1（CKS）。（2）与不添加秸秆的处理相比，添加秸秆的CKS、IFS和IFMS处理中细菌网络边数分别减少了16%、53%和73%；CKS处理的真菌网络边数减少了57%，而IFS和IFMS处理的真菌网络边数分别增加了160%和310%。这表明秸秆添加降低了土壤细菌共生网络的复杂性，但增加了真菌网络的复杂性（IFS和IFMS处理）。（3）培养第1天时的IFS处理和第150天的CKS处理下细菌和真菌关键类群的微生物活性都达到最高；而第60天和第150天的IFMS处理下，细菌和真菌关键类群的微生物活性分别达到最高。微生物群落活性的实时变化表明，秸秆源DOC和POC主要影响真菌群落，而秸秆源MBC主要影响细菌群落，且这与施肥策略无关。本研究阐明了秸秆还田有助于维持农业土壤微生物多样性和相关的碳循环。

缩略词：SOC，有机碳；DOC，可溶性有机碳；MBC，微生物量碳    

论文ID

原名：Differential long-term fertilization alters residue-derived labile organic carbon fractions and microbial community during straw residue decomposition

译名：长期差异施肥改变了秸秆分解过程中秸秆源活性有机碳组分及微生物群落

期刊：Soil & Tillage Research

IF：5.374

发表时间：2021.6.27

通讯作者：李双异 & 汪景宽

通讯作者单位：沈阳农业大学土地与环境学院

DOI号：10.1016/j.still.2021.105120

实验设计

结果

1. 不同处理中总体以及秸秆源的活性SOC组分

三个处理的总SOC和秸秆源活性SOC含量呈现不同的变化趋势（图1）。从第1天到第60天，三个处理的总DOC和MBC含量显著降低；其中总DOC分别下降了56%（CKS）、64%（IFS）和55%（IFMS）（P<0.05）（图1a），总MBC含量分别下降了83%（CKS）、72%（IFS）和73%（IFMS）（P<0.05）（图1b）。从第60天到150天，三个处理的总DOC含量持续下降，而总MBC含量持续上升（图1a和b）。在整个培养期间，IFMS处理的总POC含量最高，不同时间点的总POC含量分别为10.4 g kg−1、9.0 g kg−1和9.3 g kg−1（图1c）。从第1天到第60天，三个处理的秸秆源DOC含量也显著降低，分别为43%（CKS）、50%（IFS）和77%（IFMS）（图1d）；在第150天，IFMS处理的秸秆源DOC含量为0.49 mg kg−1，显著低于CKS处理（2.82 mg kg−1）和IFS处理（4.30 mg kg−1)。秸秆源MBC含量的变化趋势有所不同（图1e）。IFS处理的秸秆源MBC含量最高，分别为59 mg kg−1 (第1天)、60 mg kg−1(第60天) 和41 mg kg−1(第150天)。在第150天，三个处理的秸秆源MBC含量排序为：IFS>IFMS>CKS。在培养期间，三个处理的秸秆源POC含量均随时间显著增加（图1f），在第150天，IFMS处理的秸秆源POC含量为198 mg kg−1，比CKS和IFS处理分别高2倍和42%。

图1. 总溶解有机碳（DOC）（a）、总微生物生物量碳（MBC）（b）、总颗粒有机碳（POC）（c）、秸秆源溶解有机碳（d）、秸秆源微生物生物量碳（e）和秸秆源颗粒有机碳（f）。不同大写字母表示不同培养时间下差异显著（P<0.05）；不同小写字母表示不同处理下差异显著（P<0.05）。误差条表示单因素方差分析的均值±标准误。CKS：对照+秸秆，IFS：无机肥+秸秆，IFMS：表示无机肥+粪肥+秸秆。

2. 土壤细菌和真菌的群落结构及多样性

土壤中最丰富的细菌和真菌门水平的变化如图2所示。在整个培养期间，土壤细菌以放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）为主，约占所有处理相对丰度的90%。土壤真菌以子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为主。在第60天，子囊菌门的相对丰度从45.0%（CK）降至25.4%（CKS），而担子菌门的相对丰度从3.4%（CK）增至9.4%（CKS）。另外，在第1天，担子菌门的相对丰度从1.9%（IF）增至5.7%（IFS）；在第150天，担子菌门的相对丰度从0.7%（IFM）增至8.3%（IFMS）（图2b）。

土壤中最丰富的细菌和真菌属水平的变化如图3所示。在第1天，漆斑菌属（Myrothecium）的相对丰度从0.46%（IF）显著增加到2.48%（IFS）；网孢盘菌属（Aleuria）从0.25%（IF）显著增加到10.4%（IFS）。在第60天，Gp6属的相对丰度从6.2%（IF）显著增加到10.5%（IFS），节杆菌属（Arthrobacter）的相对丰度从2.2%（IF）显著增加到5.7%（IFS）。对柄孢壳菌属（Podospora）而言，其在第60天从0.54%（CK）显著增加到1.76%（CKS），并在第150天从 0.49%（IFM）增至1.09%（IFMS）。

图2. 土壤细菌（a）和真菌（b）微生物群落在门水平上的相对丰度。门的颜色在右侧列出。土壤采样时间分别为添加秸秆后的第1、60和150天。CKS：对照+秸秆，IFS：无机肥+秸秆，IFMS：表示无机肥+粪肥+秸秆。

图3. 土壤细菌（a）和真菌（b）微生物群落在属水平上的相对丰度。圆圈的颜色代表不同处理，圆圈的大小代表相对丰度。土壤采样时间分别为添加秸秆后的第1、60和150天。CKS：对照+秸秆，IFS：无机肥+秸秆，IFMS：表示无机肥+粪肥+秸秆。

  3. 微生物共生网络及关键物种评估

为明确施肥和秸秆添加对土壤微生物群落的影响，我们针对3种施肥结合2种秸秆添加处理分别构建了微生物共生网络（图4，图5）。

长期不同施肥改变了细菌和真菌的网络共生模式，IF和IFM肥料处理增加了细菌网络的复杂性，但降低了真菌网络的复杂性（图4a，b和c；图5a，b和 c)。添加秸秆后，3个处理的细菌网络边数分别减少了16.3%（CKS）、53.1%（IFS）和72.7%（IFMS）；对真菌网络而言，CKS处理的边数减少了57%，但IFS和 IFMS处理的边数分别增加了1.6倍和3.1倍（表1和表2）。这些结果表明，在秸秆分解的过程中，细菌网络的复杂性降低，且此作用对IFMS处理比CKS和IFS处理的影响更大；细菌网络中，IFS和IFMS处理的网络复杂性比IF和IFM处理更大，但CKS处理的网络复杂性比CK处理更小（图4，图5）。

此外，不同处理的细菌和真菌关键类群如表3所示。我们发现，在培养期间细菌和真菌的关键类群有所不同。添加秸秆的CKS，IFS和IFMS处理中细菌关键类群分别是Bradyrhizobium（慢生根瘤菌）、Gemmatimonas（芽单胞菌）和Unassigned genus（OTU_94），真菌关键类群分别是Penicillium（青霉菌）、Unassigned genus（OTU_12）和Unassigned genus（OTU_41）。假设关键类群OTU数量的变化代表微生物活性的变化，我们发现添加秸秆的CKS，IFS和IFMS处理中关键类群的微生物活性有所不同（图6）。每个关键类群OTU数量最大的时间点则代表关键类群微生物活性最高的时间点。我们发现，在第1天，IFS处理的关键类群微生物活性最高，而在第150天CKS处理的关键类群微生物活性最高。然而，在IFMS处理中，细菌关键类群的微生物活性在第60天最高，真菌关键类群的微生物活性在第150天最高。

图4. 秸秆分解过程中不同处理下细菌的网络共生模式。红线代表显著性正相关（P<0.05），蓝线代表显著性负相关（P<0.05）。（a）CK：对照，（b）IF：无机肥，（c），IFM：无机肥+粪肥；（d）CKS：对照+秸秆，（e）IFS：无机肥+秸秆，（f）IFMS：无机肥+粪肥+秸秆。

图5. 秸秆分解过程中不同处理下真菌的网络共生模式。红线代表显著性正相关（P<0.05），蓝线代表显著性负相关（P<0.05）。（a）CK：对照，（b）IF：无机肥，（c），IFM：无机肥+粪肥；（d）CKS：对照+秸秆，（e）IFS：无机肥+秸秆，（f）IFMS：无机肥+粪肥+秸秆。

图6. 秸秆分解过程中不同处理下细菌（a、b、c）和真菌（d、e、f）关键类群的变化。不同大写字母表示不同培养时间下差异显著（P<0.05）；误差条表示单因素方差分析的均值±标准误。（a）和（d）CKS：对照+秸秆，（b）和（e）IFS：无机肥+秸秆，（c）和（f）IFMS：无机肥+粪肥+秸秆。

表1. 秸秆分解过程中不同处理下细菌共生网络的拓扑特性。

注：CK：对照，IF：无机肥，IFM：无机肥+粪肥，CKS：对照+秸秆，IFS：无机肥+秸秆，IFMS：无机肥+粪肥+秸秆。

表2. 秸秆分解过程中不同处理下真菌共生网络的拓扑特性。

注：CK：对照，IF：无机肥，IFM：无机肥+粪肥，CKS：对照+秸秆，IFS：无机肥+秸秆，IFMS：无机肥+粪肥+秸秆。

表3. 不同处理下细菌和真菌共生网络中的关键类群。

4. 结构方程模型分析

利用结构方程模型（SEM）来评估秸秆源活性SOC组分对土壤细菌和真菌群落结构变化的影响（图7）。结果发现，施肥对细菌（+0.49）和真菌群落（+0.46）都有直接正影响，而培养时间仅对细菌群落（+0.98）有直接正影响。所有秸秆源活性SOC组分对真菌群落都有正影响，其中秸秆源POC的影响最大（+0.76）；细菌群落仅受秸秆源MBC（+0.54）的影响。

图7. 结构方程模型（SEM）评估了不同施肥策略和培养时间下活性有机碳组分对土壤细菌和真菌的影响。箭头旁的数字代表路径系数，箭头的宽度表示标准化路径系数的强度。蓝线表示正路径系数，红线表示负路径系数，灰线分别表示非系数。显著性水平如下：*表示P <0.05、**表示P <0.01、***表示P<0.001。卡方（χ2 =0.320）、P值（P=0.811）、拟合优度指数（GFI =0.990）和近似均方根误差（RMSEA = 0.000），表明我们的数据与假设模型匹配。

讨论

1. 施肥策略和培养时间对总体以及秸秆源的活性有机碳组分的影响

土壤微生物驱动有机物分解，进而形成DOC。在整个培养期间，各处理的总DOC含量持续下降，这表明DOC含有有益于结合稳定SOC的植物源和微生物源化合物。此外，秸秆源DOC在培养初期迅速下降，这与我们之前在淋溶土中的观察一致，这表明秸秆添加后秸秆源DOC立即被微生物利用。施用有机肥可以保持土壤养分缓慢且稳定地流动，这可能是IFMS比CKS和IFS处理中秸秆源DOC含量较低的原因。

MBC是SOC中的活性微生物组分，其是微生物活性的敏感指标。在本研究中，从第1天到第60天，总MBC和总DOC含量都有所下降，但总MBC含量在培养结束时（第150天）达到最大值。原因可能是有机无机肥配施为土壤提供碳源，促使微生物活性提高，进而导致MBC含量增高。此外，在培养初期，IFMS处理的秸秆源MBC含量最低，CKS和IFS处理对秸秆添加的反应更剧烈，说明CK和IF处理比IFM处理的土壤更缺乏养分。研究表明，秸秆添加后，土壤微生物会在饥饿状态下迅速参与秸秆分解。在培养末期，与IFS和IFMS处理相比，CKS处理的秸秆源MBC含量最低，说明施肥可促进土壤微生物对秸秆源碳的固定。

POC由不溶的颗粒有机碳组成，其对土壤管理的变化很敏感。在本研究中，培养期间IFMS处理的总POC含量最大。这可能是因为有机无机肥配施增加了作物的地下生物量，从而增加了土壤中外源有机质的输入，导致POC含量增加；同时，有机无机肥配施还能促进团聚体形成，改善土壤结构，从而也可导致POC含量增加。此外，在培养期间，各处理的秸秆源DOC和POC含量呈现相反趋势。POC由分解的植物和微生物残体组成，其是植物养分的重要来源，也可以被微生物分解。因此，秸秆源POC含量随秸秆分解而增加。在培养结束时（第150天），IFMS处理的秸秆源POC最高。一种解释是，粪肥的添加改善了土壤结构，促进了土壤团聚体的形成，使得部分游离SOC受到土壤团聚体的保护，从而促进秸秆源POC含量的增加。

2. 秸秆分解对微生物群落结构的影响

在第60天，IFS处理的Gp6和Arthrobacter相对丰度增加。Gp6属于酸杆菌门，该菌门与SOM含量呈显著正相关关系。Arthrobacter属于放线菌门，该菌门对土壤碳源更敏感，加入不稳定的SOC后其丰度可能会增高。这些菌是能够降解复杂植物残体的重要腐生菌。Arthrobacter还能够合成胞外酶从而降解复杂的碳化合物。本研究中，秸秆分解增加了土壤SOC含量，因此土壤中Gp6和Arthrobacter的相对丰度也有所增加。众所周知，真菌有助于秸秆残体碳的分解，从而促进土壤中碳的矿化。真菌连接有机基质中碳的分配和养分的固定，在分解植物来源的基质方面起着重要作用。子囊菌门是最大和最多样化的真菌门，也是关键的有机物分解者。该菌具有广泛的底物利用率，对于分解顽固的有机化合物至关重要。Podospora、Myrothecium和Aleuria都属于子囊菌门。Podospora在健康的土壤中含量丰富，其可以随着土壤养分的增加而分解顽固的木质纤维素。Myrothecium是寡养菌，是子囊菌门中生长最快的属，它对不稳定碳的利用有明显反应。担子菌门在降解土壤中高木质素含量的植物凋落物方面起着重要作用。本研究中IFS处理的养分含量高于CKS处理，这可能是导致前者担子菌门丰度更高的原因，这与之前的研究一致。

3. 秸秆分解对微生物共生网络的影响

在微生物共生网络中，我们发现细菌和真菌群落表现出不同的共生模式（图6，图7）。秸秆的添加有利于提高土壤微生物的总体丰度，同时也增加了真菌网络的复杂性；但在本研究中还观察到，所有添加秸秆的施肥处理都降低了细菌网络的复杂性。这些结果表明，秸秆的添加总是不利于细菌的复杂性，且不受肥料种类的影响。这可能是因为分解秸秆的细菌之间存在强烈的相互竞争作用，这导致不同的细菌物种无法共存，细菌群落的稳定性降低。在这种情况下，虽然细菌的复杂度有所降低，但由于微生物群落内功能冗余，这并不影响土壤细菌对秸秆的分解作用。对于真菌群落而言，在整个秸秆分解的过程中，IFS和IFMS处理网络复杂度高于CKS处理（图5）。此结果表明，在高肥力的土壤中添加有机物质将为真菌的生长提供良好的栖息地，导致真菌群落的稳定性有所提高，同时也提高了真菌群落的抗干扰能力。因此，秸秆添加有利于提高施肥土壤中真菌的复杂性，这不依赖于无机肥或无机有机肥配施。然而，由于在CKS处理的土壤中缺乏养分，真菌群落会竞争养分，因此该处理真菌网络的稳定性较低。此外，秸秆的添加降低了3种处理间细菌群落中正连线比例，表明秸秆还田会可能会促进细菌物种的竞争和生态位分离。在真菌群落中，CKS和IF处理的正连线比例也有所下降（图5），该结果也说明IFMS处理土壤中具有更多样化的有机化合物，并在秸秆分解过程中促进真菌物种的合作和生态位重叠。

4. 秸秆分解过程中关键微生物类群的实时变化

施肥对秸秆分解的过程有显著影响。本研究中，Bradyrhizobium和Unassigned genus（OTU_94）为CKS和IFMS处理的关键类群，两者都属于变形菌门。然而，它们的微生物活性不同。由于变形菌是一种具腐生菌，因此IFMS处理的养分供给导致该关键类群快速增长，这显著优于CKS（养分供应不足）处理。秸秆分解过程，Bradrhizobium可分泌胞外聚合物以应对碳源短缺，从而促进秸秆分解。Gemmatimonas与秸秆残体中的碳同化有关，并且能够根据其代谢需要调节碳的摄入量。在本研究中，该菌在培养初期的IFS处理中微生物活性达到最高。Penicillium和Unassigned genus（OTU_12）分别是CKS和IFS处理的关键类群，它们都属于子囊菌门，但它们的最大微生物活性不同。Penicillium在纤维素酶和半纤维素酶的生产中起重要作用，它受到碳源的严格调控。Penicillium与土壤中碳含量的增加也有关系。由于CK处理的土壤本底缺乏足够的碳源，在秸秆分解过程中微生物的可利用碳含量逐渐增加，因此Penicillium在培养结束时（第150天）具有最高的微生物活性。在IFS处理中，最高的微生物活动发生在培养早期，这可能是因为子囊菌特别容易受到高营养水平的影响。例如，在本研究中添加无机肥导致土壤中氮含量立即增加，关键类群的微生物活性也随之改变。

5. 长期差异施肥下活性有机碳组分与土壤微生物间的关系

SEM模型表明，不同的秸秆源活性SOC组分对细菌和真菌群落有不同的影响。秸秆源DOC、POC和MBC都显著影响真菌群落，而仅有秸秆源MBC显著影响细菌群落。这表明真菌群落比细菌群落对秸秆源活性SOC更敏感，因此其在秸秆分解过程中起关键作用，这与既往的研究结果一致。秸秆源MBC对细菌和真菌群落都有显著影响，这表明MBC是土壤微生物的重要指标，可能会影响微生物的群落构建。秸秆源POC对真菌群落的影响程度最大，这可能是因为在秸秆分解过程中有更多的POC积累。秸秆源DOC对真菌群落的影响程度与POC较为相似，两者的不同之处在于秸秆源DOC影响秸秆分解的初始阶段，而秸秆源POC在秸秆分解后期起作用。这一结果验证了本研究中秸秆源DOC和POC含量的变化。此外，我们以往的微区实验对比了田间管理对土壤的影响。我们发现，土壤养分矿化、异养呼吸和微生物群落可能会受到田间环境条件的影响，特别是水分波动。因此，当前的研究结果可能存在一些局限性，在未来我们将通过模拟更贴近实际的环境条件来努力减少这些局限性。

结论

施肥策略影响秸秆分解过程中微生物的群落结构、关键微生物类群以及微生物活性。秸秆添加降低了土壤细菌共生网络的复杂性（所有处理），但增加了真菌共生网络的复杂性（IFS和IFMS处理）。秸秆源活性SOC主要以POC的形式存在。在施肥条件下，秸秆源MBC的含量较高。微生物群落活性的实时变化结果表明，秸秆源DOC和POC主要影响真菌群落，而秸秆源MBC主要影响细菌群落。因此，秸秆还田在维持全球农业土壤微生物多样性和相关碳循环过程中的重要作用应得到重视。在未来，需要在更大的时间和空间尺度上开展此类研究，并对土壤中活性微生物类群进行详细分析，以获得微生物活性与土壤秸秆源活性SOC之间更强的定量关系。