石灰性土壤中有机与无机碳对粪肥添加的响应差异及其微生物驱动机制

本研究通过13年田间试验结合文献数据整合，揭示了粪肥与化肥(NPK)施用对石灰性土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)的差异化影响。研究发现粪肥通过促进微生物同化作用增加SOC，同时通过提升HCO3-含量和微生物分解活性驱动SIC形成，为理解土壤碳库动态平衡提供了新视角。

　　

在全球气候变化背景下，土壤碳库管理成为农业可持续发展的核心议题。石灰性土壤占全球耕地的47%，其独特的碳酸盐特性使土壤无机碳(SIC)与有机碳(SOC)的相互作用长期被忽视。传统观点认为SIC周转缓慢，但近年研究发现其动态变化远超预期。华北平原作为中国重要粮仓，长期集约化农业导致土壤酸化加速SIC流失，而有机肥施用对SOC-SIC关系的调控机制尚不明确。

为破解这一难题，中国农业大学张云龙团队在《Soil and Tillage Research》发表研究，通过13年田间定位试验（2010-2023），结合96组文献数据整合，系统分析了玉米全生育期内不同土层(0-20cm和20-40cm)SOC与SIC的动态响应。研究采用磷脂脂肪酸(PLFA)分析活体微生物量，氨基糖标记微生物残体碳(MNC)，并运用结构方程模型(SEM)解析驱动因子。

关键方法

试验设置NPK化肥与粪肥处理，采集玉米十二叶期(V12)、灌浆期(R2)和生理成熟期(R6)土壤样品。通过压力计法测定SIC，K₂Cr₂O₇氧化法测SOC，PLFA标记微生物群落，高通量测序分析微生物分类组成，并测定β-葡萄糖苷酶(BG)等酶活性。

3.1 土壤碳动态与SOC-SIC关系

粪肥在V12期使表层SOC增加14.0%而SIC降低9.6%，但在R2和R6期分别提升SIC 9.9%和14.4%。SEM显示微生物残体碳(MNC)对SOC的解释度达51%，而活体微生物量(PLFAs)和NAG酶活性主导SIC变化。

3.2 微生物群落特征

粪肥使细菌PLFAs增加3.2-3.5倍，子囊菌门(Ascomycota)与SOC正相关，而担子菌门(Basidiomycota)促进SIC形成。微生物残体中细菌源碳(BNC)对SOC贡献达38-43%。

3.3 土壤化学驱动

NPK处理Ca²⁺含量比粪肥高31-42%，HCO₃^-低12-14%。偏相关分析表明HCO₃^-对SIC变异的解释力超越pH和Ca²⁺。

4.1 施肥对SIC的影响机制

粪肥通过中和酸化减少碳酸盐溶解，同时微生物呼吸提升HCO₃^-浓度，促进次生碳酸盐形成。每消耗1单位SOC，粪肥处理的SIC增量比NPK高37%。

4.3 微生物代谢途径分化

研究发现SOC积累依赖微生物同化作用（如Mortierellomycota真菌），而SIC形成与Ustilaginomycetes等分解菌群正相关，首次提出"微生物无机碳泵"概念，补充了传统"微生物碳泵"理论。

该研究创新性揭示SOC-SIC的拮抗关系受微生物代谢途径分化的调控，为石灰性土壤碳汇管理提供了理论依据。通过优化有机肥施用策略，可实现土壤健康维护与碳固存的双赢，对全球变化背景下农业碳中和具有重要实践意义。