微生物殘體主導(dǎo)土壤有機質(zhì)。最近關(guān)于殘體和土壤碳儲存的研究主要集中在殘體的產(chǎn)生和穩(wěn)定機制，而不是殘體的固定機制。我們使用穩(wěn)定同位素標記微生物殘體進行土壤培養(yǎng)試驗。結(jié)果表明，對于短期的殘體固定，非生物吸附固定可能比生物固定更重要。我們證明了殘體吸附固定不僅發(fā)生在礦物表面，還可能與其他殘體相互作用。此外，殘體化學(xué)性質(zhì)能改變殘體之間的相互作用，當存在酵母殘體時，細菌示蹤殘體會保留更多。這些發(fā)現(xiàn)表明，除了化學(xué)穩(wěn)定性之外，微生物殘體的吸附和非生物相互作用及其功能特性需要在土壤固碳的背景下進一步研究。

土壤有機質(zhì)（SOM）是土壤健康和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵指標。對SOM穩(wěn)定性的研究傳統(tǒng)上側(cè)重于植物對土壤輸入的質(zhì)量和數(shù)量，然而，最近的研究表明，SOM主要由死亡的微生物產(chǎn)物和殘體主導(dǎo)。殘體在土壤中的持留時間可能受到殘體吸收固定到微生物生物量影響，但殘體固定最終依賴于其吸附到土壤礦物表面形成的微團聚體。實際上，生物固定作用（微生物固定化）和非生物固定（吸附和分子相互作用）可能同時發(fā)生，但尚未有研究評估這些短期過程的相對重要性（圖1）。

礦物表面可觀察到微生物殘體，這支持以下觀點：穩(wěn)定SOM的積累主要由有機-礦物吸附控制，并受礦物表面積限制。然而，實驗檢測到的殘體并不是均勻的覆蓋在礦物表面，而是以塊狀形態(tài)存在，這表明SOM的穩(wěn)定性也可能包含有機物間的相互作用，或殘體通過離子相互作用、氫鍵、范德華力、（部分）包埋作用和其他殘體及有機質(zhì)粘連（圖1）。了解這兩個非生物吸附過程的相對重要性對于預(yù)測SOM持留時間的上限至關(guān)重要。

微生物殘體的化學(xué)性質(zhì)被認為是SOM儲存的不重要調(diào)節(jié)因素，因為相比不同的植物輸入，其化學(xué)成分更為相似。以往關(guān)于殘體化學(xué)性質(zhì)和持久性的研究集中于其穩(wěn)定性，并強調(diào)幾丁質(zhì)的固定。然而，細胞化學(xué)性質(zhì)可以改變細胞間粘附率和有機-礦物吸附率，尤其是對于富含N的殘體。革蘭氏陽性細菌包膜在脂膜外有一層厚的交聯(lián)肽聚糖層，而革蘭氏陰性細胞包膜在內(nèi)外脂膜間包含有一層較薄的肽聚糖層。真菌細胞壁成分高度復(fù)雜；例如，酵母細胞壁脂膜外由多層甘露聚糖、β-葡聚糖和幾丁質(zhì)組成。因此，相對于革蘭氏陰性細菌或真菌，富含肽聚糖的革蘭氏陽性細菌等具有高N含量的細胞膜官能團可能有利于有機-有機相互作用。鑒于全球變化、土地利用變化甚至季節(jié)性可能導(dǎo)致的微生物群落組成潛在的廣泛變化，殘體化學(xué)性質(zhì)可能會影響生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模上的SOM穩(wěn)定性。

我們研究了草地土壤中生物和非生物殘體固定的重要性，以及在短期實驗室培養(yǎng)中殘體化學(xué)性質(zhì)對這種固定的影響。我們提出如下假設(shè)：H1、生物和非生物殘體固定均可發(fā)生，但生物固定更為重要；H2、殘體的背景濃度越高；土壤中固定的殘體越多（表明產(chǎn)生有機-有機粘附）；和H3、革蘭氏陽性細菌膜的非生物固定更高（這意味著細胞化學(xué)性質(zhì)很重要）。

活性土壤中示蹤殘體的C固定率比滅菌土低（P=0.006），因此拒絕假設(shè)H1，表明殘體C的短期固定主要由非生物過程控制（>70%）（圖2a）。然而，我們的結(jié)果不能證實生物過程對持續(xù)的SOM-C累積不重要。我們控制的環(huán)境培養(yǎng)條件可能高估了非生物過程的重要性：在一個具有活躍的植物-微生物相互作用的動態(tài)自然系統(tǒng)中，活微生物固定殘體C，植物和微生物吸收/固定殘體N可能對殘體固定至關(guān)重要。此外，我們實驗室培養(yǎng)的單一培養(yǎng)物僅能接近化學(xué)和分類學(xué)上復(fù)雜的天然殘體。盡管如此，我們的結(jié)果說明了土壤中非生物碳固定的重要短期效應(yīng)。

活性土壤中的13C固定率比滅菌土壤中的固定率更低，我們認為這可能是滅菌處理的副作用，或者是微生物活動造成的CO2損失。但我們認為滅菌處理影響很小，因為我們沒有發(fā)現(xiàn)活性土中殘體15N的固定率與滅菌土相比也降低（圖2b）。滅菌土壤中示蹤殘體的C:N比沒有變化以及活性土壤中示蹤殘體C:N的下降（P<0.001，數(shù)據(jù)未展示）的結(jié)果等同于活性微生物C周轉(zhuǎn)過程：添加總C的4–10%的固定/損失（可提取的生物量或CO2損失）（圖3a和b）。標記殘體N2O的損失與CO2相當（<2%，圖3c），但我們推測微生物生物量的氮吸收（未測量）比C吸收更低，反映出在這些富氮農(nóng)牧土壤中，生長對氮的需求較低。培養(yǎng)期間的C-饑餓作用可能導(dǎo)致微生物利用殘體C維持生命活動，這反映了底物利用效率（CUE）較低（圖3d）。

與對照組相比，有更高殘體濃度背景的滅菌和活性土壤中固定了更高的C和N（約高出10–40%，圖2a和b），這支持假設(shè)H2：殘體之間可能相互粘連。此前，基于實驗室和長期野外研究中的同位素和觀測證據(jù)，已有研究提出有機-有機粘附機制。在具有更高肽聚糖（M. luteus）殘體的土壤中，我們沒有觀察到C和N的固定率更高，因此拒絕假設(shè)H3（即革蘭氏陽性細菌膜的非生物固定率更高）。然而，我們提供了新的證據(jù)表明，在滅菌和活性土壤中，增加酵母殘體時，標記殘體中C和N的固定率更高（C, P<0.001；N, P=0.03)。在添加酵母殘體的土壤中，這種較高的微生物C和N的固定似乎不是通過生物固定過程，因為活性土壤中示蹤殘體的CUE在不同殘體類型之間沒有差異（圖3d）（盡管所有添加殘體的處理都低于無添加的對照，這可能是比對照更高底物濃度的響應(yīng)）。相反，存在釀酒酵母殘體的情況下，示蹤殘體固定率的增加可能表明革蘭氏陰性細胞外膜和復(fù)雜酵母細胞壁形態(tài)之間更快或更強的相互作用，例如和在活的微生物群落中發(fā)生的相互作用一樣。我們需要進一步開展化合物特異性研究，以期了解其他一般真菌殘體或特異的細菌細胞膜和真菌細胞壁化合物是否具備酵母殘體的特性。本文結(jié)果表明，細胞化學(xué)性質(zhì)有助于粘附機制，促進土壤中殘體穩(wěn)定性。

圖1. 礦質(zhì)土壤中微生物殘體形成及固定示意圖。圖中，殘體作為微生物的底物，類似于植物輸入（凋落物或分泌物）。微生物可以獲得與礦物結(jié)合或不結(jié)合的殘體。固定作用包括微生物將殘體再循環(huán)為新的生物量，最終形成殘體，并可能以CO2的形式產(chǎn)生一些損失。穩(wěn)定作用被認為是通過吸附到礦物表面（“有機-礦物”）來實現(xiàn)，尤其是在粘粉粒表面上。在本研究中，我們假設(shè)該過程不局限于發(fā)生在礦物表面（“有機-礦物”），也發(fā)生在殘體間的相互作用（“有機-有機”）上。這些過程促進殘體固定，并且該“有機-有機”結(jié)合過程可能受到殘體化學(xué)性質(zhì)的影響。

圖2.?具有不同背景殘體的活性和滅菌土壤中殘體碳氮的固定（13C15N-E.coli）。在活性土壤（微生物固定和吸附）和無菌土壤（僅吸附）中培養(yǎng)3天后，以（a）碳或（b）氮形式固定的13C15N殘體。為期3天的培養(yǎng)結(jié)束后，分析水提取后殘留土壤中標記殘體剩余量的百分數(shù)作為殘體固定率。

圖3.?具有不同背景殘體的活性土壤中殘體示蹤劑（13C15N-E.coli）的氣體損失、生物固定和碳利用效率。在3天培養(yǎng)后，（a）標記殘體礦化的CO2，（b）標記殘體再利用產(chǎn)生的微生物量C，（c）標記殘體礦化的N2O，（d）碳利用效率。

我們的結(jié)論是，非生物過程對于土壤中殘體C和N的短期固定非常重要，需要在研究SOM穩(wěn)定性的研究中給予更大的重視。我們的結(jié)果表明，有機-有機相互作用促進了碳和氮的固定，并提供了新的證據(jù)，證明這種機制受細胞化學(xué)性質(zhì)調(diào)節(jié)。如果這種短期非生物固定發(fā)生在原位土壤并持續(xù)存在，那么微生物群落結(jié)構(gòu)以及真菌與細菌的比例可能會通過群落細胞化學(xué)性質(zhì)的變化影響碳和氮的穩(wěn)定性。在田間添加來自不同分類群、不同土壤的同位素標記殘體，將有助于研究這些機制的長期重要性。這些發(fā)現(xiàn)表明，微生物殘體的非生物吸附和殘體間相互作用及其化學(xué)穩(wěn)定性以外的功能特性（即細胞分子的特性、聚集和形態(tài)）值得進一步在土壤固碳背景下展開研究。

原文鏈接:?https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720302261

DOI：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107929