微生物殘?bào)w主導(dǎo)土壤有機(jī)質(zhì)。最近關(guān)于殘?bào)w和土壤碳儲(chǔ)存的研究主要集中在殘?bào)w的產(chǎn)生和穩(wěn)定機(jī)制，而不是殘?bào)w的固定機(jī)制。我們使用穩(wěn)定同位素標(biāo)記微生物殘?bào)w進(jìn)行土壤培養(yǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，對(duì)于短期的殘?bào)w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?bào)w吸附固定不僅發(fā)生在礦物表面，還可能與其他殘?bào)w相互作用。此外，殘?bào)w化學(xué)性質(zhì)能改變殘?bào)w之間的相互作用，當(dāng)存在酵母殘?bào)w時(shí)，細(xì)菌示蹤殘?bào)w會(huì)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?bào)w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(jìn)一步研究。

土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）是土壤健康和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)SOM穩(wěn)定性的研究傳統(tǒng)上側(cè)重于植物對(duì)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?bào)w主導(dǎo)。殘?bào)w在土壤中的持留時(shí)間可能受到殘?bào)w吸收固定到微生物生物量影響，但殘?bào)w固定最終依賴于其吸附到土壤礦物表面形成的微團(tuán)聚體。實(shí)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(shí)發(fā)生，但尚未有研究評(píng)估這些短期過(guò)程的相對(duì)重要性（圖1）。

礦物表面可觀察到微生物殘?bào)w，這支持以下觀點(diǎn)：穩(wěn)定SOM的積累主要由有機(jī)-礦物吸附控制，并受礦物表面積限制。然而，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的殘?bào)w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(jī)物間的相互作用，或殘?bào)w通過(guò)離子相互作用、氫鍵、范德華力、（部分）包埋作用和其他殘?bào)w及有機(jī)質(zhì)粘連（圖1）。了解這兩個(gè)非生物吸附過(guò)程的相對(duì)重要性對(duì)于預(yù)測(cè)SOM持留時(shí)間的上限至關(guān)重要。

微生物殘?bào)w的化學(xué)性質(zhì)被認(rèn)為是SOM儲(chǔ)存的不重要調(diào)節(jié)因素，因?yàn)橄啾炔煌闹参镙斎?，其化學(xué)成分更為相似。以往關(guān)于殘?bào)w化學(xué)性質(zhì)和持久性的研究集中于其穩(wěn)定性，并強(qiáng)調(diào)幾丁質(zhì)的固定。然而，細(xì)胞化學(xué)性質(zhì)可以改變細(xì)胞間粘附率和有機(jī)-礦物吸附率，尤其是對(duì)于富含N的殘?bào)w。革蘭氏陽(yáng)性細(xì)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(xì)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(xì)胞壁成分高度復(fù)雜；例如，酵母細(xì)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(duì)于革蘭氏陰性細(xì)菌或真菌，富含肽聚糖的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌等具有高N含量的細(xì)胞膜官能團(tuán)可能有利于有機(jī)-有機(jī)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?bào)w化學(xué)性質(zhì)可能會(huì)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?bào)w固定的重要性，以及在短期實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)中殘?bào)w化學(xué)性質(zhì)對(duì)這種固定的影響。我們提出如下假設(shè)：H1、生物和非生物殘?bào)w固定均可發(fā)生，但生物固定更為重要；H2、殘?bào)w的背景濃度越高；土壤中固定的殘?bào)w越多（表明產(chǎn)生有機(jī)-有機(jī)粘附）；和H3、革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌膜的非生物固定更高（這意味著細(xì)胞化學(xué)性質(zhì)很重要）。

活性土壤中示蹤殘?bào)w的C固定率比滅菌土低（P=0.006），因此拒絕假設(shè)H1，表明殘?bào)wC的短期固定主要由非生物過(guò)程控制（>70%）（圖2a）。然而，我們的結(jié)果不能證實(shí)生物過(guò)程對(duì)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(guò)程的重要性：在一個(gè)具有活躍的植物-微生物相互作用的動(dòng)態(tài)自然系統(tǒng)中，活微生物固定殘?bào)wC，植物和微生物吸收/固定殘?bào)wN可能對(duì)殘?bào)w固定至關(guān)重要。此外，我們實(shí)驗(yàn)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?bào)w。盡管如此，我們的結(jié)果說(shuō)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(rèn)為這可能是滅菌處理的副作用，或者是微生物活動(dòng)造成的CO2損失。但我們認(rèn)為滅菌處理影響很小，因?yàn)槲覀儧]有發(fā)現(xiàn)活性土中殘?bào)w15N的固定率與滅菌土相比也降低（圖2b）。滅菌土壤中示蹤殘?bào)w的C:N比沒有變化以及活性土壤中示蹤殘?bào)wC: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(guò)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(biāo)記殘?bào)wN2O的損失與CO2相當(dāng)（<2%，圖3c），但我們推測(cè)微生物生物量的氮吸收（未測(cè)量）比C吸收更低，反映出在這些富氮農(nóng)牧土壤中，生長(zhǎng)對(duì)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?bào)wC維持生命活動(dòng)，這反映了底物利用效率（CUE）較低（圖3d）。

與對(duì)照組相比，有更高殘?bào)w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?bào)w之間可能相互粘連。此前，基于實(shí)驗(yàn)室和長(zhǎng)期野外研究中的同位素和觀測(cè)證據(jù)，已有研究提出有機(jī)-有機(jī)粘附機(jī)制。在具有更高肽聚糖（M. luteus）殘?bào)w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(yáng)性細(xì)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?bào)w時(shí)，標(biāo)記殘?bào)w中C和N的固定率更高（C, P<0.001；N, P=0.03)。在添加酵母殘?bào)w的土壤中，這種較高的微生物C和N的固定似乎不是通過(guò)生物固定過(guò)程，因?yàn)榛钚酝寥乐惺聚櫄報(bào)w的CUE在不同殘?bào)w類型之間沒有差異（圖3d）（盡管所有添加殘?bào)w的處理都低于無(wú)添加的對(duì)照，這可能是比對(duì)照更高底物濃度的響應(yīng)）。相反，存在釀酒酵母殘?bào)w的情況下，示蹤殘?bào)w固定率的增加可能表明革蘭氏陰性細(xì)胞外膜和復(fù)雜酵母細(xì)胞壁形態(tài)之間更快或更強(qiáng)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(jìn)一步開展化合物特異性研究，以期了解其他一般真菌殘?bào)w或特異的細(xì)菌細(xì)胞膜和真菌細(xì)胞壁化合物是否具備酵母殘?bào)w的特性。本文結(jié)果表明，細(xì)胞化學(xué)性質(zhì)有助于粘附機(jī)制，促進(jìn)土壤中殘?bào)w穩(wěn)定性。

圖1. 礦質(zhì)土壤中微生物殘?bào)w形成及固定示意圖。圖中，殘?bào)w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?bào)w。固定作用包括微生物將殘?bào)w再循環(huán)為新的生物量，最終形成殘?bào)w，并可能以CO2的形式產(chǎn)生一些損失。穩(wěn)定作用被認(rèn)為是通過(guò)吸附到礦物表面（“有機(jī)-礦物”）來(lái)實(shí)現(xiàn)，尤其是在粘粉粒表面上。在本研究中，我們假設(shè)該過(guò)程不局限于發(fā)生在礦物表面（“有機(jī)-礦物”），也發(fā)生在殘?bào)w間的相互作用（“有機(jī)-有機(jī)”）上。這些過(guò)程促進(jìn)殘?bào)w固定，并且該“有機(jī)-有機(jī)”結(jié)合過(guò)程可能受到殘?bào)w化學(xué)性質(zhì)的影響。

圖2.?具有不同背景殘?bào)w的活性和滅菌土壤中殘?bào)w碳氮的固定（13C15N-E.coli）。在活性土壤（微生物固定和吸附）和無(wú)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?bào)w。為期3天的培養(yǎng)結(jié)束后，分析水提取后殘留土壤中標(biāo)記殘?bào)w剩余量的百分?jǐn)?shù)作為殘?bào)w固定率。

圖3.?具有不同背景殘?bào)w的活性土壤中殘?bào)w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(biāo)記殘?bào)w礦化的CO2，（b）標(biāo)記殘?bào)w再利用產(chǎn)生的微生物量C，（c）標(biāo)記殘?bào)w礦化的N2O，（d）碳利用效率。

我們的結(jié)論是，非生物過(guò)程對(duì)于土壤中殘?bào)wC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(jī)-有機(jī)相互作用促進(jìn)了碳和氮的固定，并提供了新的證據(jù)，證明這種機(jī)制受細(xì)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(xì)菌的比例可能會(huì)通過(guò)群落細(xì)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(lái)自不同分類群、不同土壤的同位素標(biāo)記殘?bào)w，將有助于研究這些機(jī)制的長(zhǎng)期重要性。這些發(fā)現(xiàn)表明，微生物殘?bào)w的非生物吸附和殘?bào)w間相互作用及其化學(xué)穩(wěn)定性以外的功能特性（即細(xì)胞分子的特性、聚集和形態(tài)）值得進(jìn)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