文獻(xiàn)解讀

原名：Decadal application of mineral fertilizers alters the molecular composition and origins of organic matter in particulate and mineral-associated fractions

譯名：十年的礦質(zhì)施肥改變顆粒態(tài)和礦物結(jié)合態(tài)組分有機(jī)質(zhì)的分子組成和來源

期刊：SBB

IF：9.8

發(fā)表時(shí)間：2023.07

第一作者：Zhichao Zou

摘要

背景：長(zhǎng)期礦質(zhì)施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）的數(shù)量、質(zhì)量和穩(wěn)定性的影響仍不明確。

方法：通過結(jié)合四種生物標(biāo)志物（自由與結(jié)合態(tài)脂類、木質(zhì)素酚和氨基糖），研究中國(guó)北方農(nóng)田在10年礦質(zhì)施肥下（400 kg N ha?1 yr?1, 120 kg P ha?1 yr?1 和 50 kg K ha?1 yr?1）的SOM的分子組成、分解和來源。我們關(guān)注于兩個(gè)差異化的SOM組分：顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)（POM）和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)（MAOM）。

結(jié)果：盡管施肥對(duì)全土SOC的影響有限，但導(dǎo)致MAOM中SOC增加23%，并且改變了其組成和來源。施肥使POM中植物源的萜類化合物增加46%，MAOM中長(zhǎng)鏈脂類（≥20）增加116%，但是降低了POM中54%的短鏈脂類（<20）。施肥使POM和MAOM中軟木脂源脂類分別降低56%和30%，但使木質(zhì)素來源酚類分別增加74%和31%，表明作物殘?bào)w更偏好在POM中固存。施肥降低了兩種組分中微生物殘?bào)w對(duì)SOC的貢獻(xiàn)。總之，礦質(zhì)施肥礦質(zhì)施肥會(huì)降低POM中某些可溶性組分（例如，短鏈脂類），導(dǎo)致MAOM中難分解分子的積累（例如，長(zhǎng)鏈脂類，角質(zhì)源脂類和木質(zhì)素來源酚類）。

結(jié)論：礦質(zhì)施肥通過改變溫帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中礦物-有機(jī)復(fù)合體的分子組成和固存，增加SOM的穩(wěn)定性和持久性。

研究背景

SOM能夠維持土壤肥力、促進(jìn)土壤水分存留和有機(jī)碳（SOC）固存，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能的發(fā)揮至關(guān)重要。在典型的農(nóng)田，大量礦質(zhì)肥料的輸入增加了作物生產(chǎn)力，導(dǎo)致大量的碳（C）通過殘?bào)w、根系及其分泌物進(jìn)入土壤，隨后改變了SOM周轉(zhuǎn)。然而，我們對(duì)SOC穩(wěn)定和固存對(duì)營(yíng)養(yǎng)施肥的響應(yīng)方向和程度的基礎(chǔ)理解仍然不明確。之前的研究報(bào)道了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中施肥管理導(dǎo)致更高、中性以及甚至更低的SOC水平。在集約型農(nóng)業(yè)中，礦質(zhì)施肥使增加或維持作物產(chǎn)量的關(guān)鍵。養(yǎng)分介導(dǎo)的SOC積累主要與2方面有關(guān)，1）通過增加凋落物和根沉積物介導(dǎo)更高的植物輸入；2）抑制微生物代謝和/或微生物生物量，并且改變了微生物群落結(jié)構(gòu)。礦質(zhì)施肥導(dǎo)致的SOC積累也可能被不同土壤組分的C損失或土壤C的生物降解所抵消，導(dǎo)致零積累，甚至負(fù)積累。此外，礦質(zhì)肥料的輸入可能通過植物輸入、分配途徑和分解，改變SOM形成和穩(wěn)定，并且影響SOM的分子組成和來源。除了施肥對(duì)SOC庫(kù)影響的差異化結(jié)果外，很少有研究關(guān)注礦質(zhì)施肥對(duì)SOM質(zhì)量的影響（比如，分子、不穩(wěn)定性和來源）。

研究SOC的分子組成有利于揭示SOM來源和分解途徑，因此提高對(duì)SOM不穩(wěn)定性和穩(wěn)定性的評(píng)估。新興的觀點(diǎn)表明，SOM是一個(gè)逐級(jí)分解的有機(jī)化合物的連續(xù)體，具有不同階段的生物地球化學(xué)降解過程。這種復(fù)雜的混合物（有機(jī)質(zhì)）由一系列的生物分子組成，如多糖、脂質(zhì)、木質(zhì)素、角質(zhì)、軟木脂和氨基糖。生物標(biāo)志物的方法已被證明是分析SOM的一個(gè)強(qiáng)大的工具。例如，氨基糖和木質(zhì)素生物標(biāo)志物被用于差異化的指示微生物和植物源生物分子。此外，自由基長(zhǎng)鏈脂類（≥C20）和類固醇被認(rèn)為主要是植物源，而短鏈脂類（）和海藻糖主要是微生物源。結(jié)合脂質(zhì)，如角質(zhì)和軟木脂，是具有植物特征的生物大分子，分別用于追蹤來自葉和根的輸入。然而，大量研究集中在自然生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分輸入（大部分是N）的影響上，并且發(fā)現(xiàn)N輸入能夠改變這些SOM組分和來源。例如長(zhǎng)期N肥增加了溫帶森林和草地的植物源脂類（例如，steroids（類固醇）、cutin（角質(zhì)）、suberin（木栓質(zhì)））和木質(zhì)素酚。然而，不確定性仍然存在，因?yàn)槟承┙M分（如微生物殘留物）對(duì)施肥的反應(yīng)不一致。據(jù)推測(cè)，這些不同的結(jié)果可能是由于肥料類型、添加率、持續(xù)時(shí)間、土壤類型、土壤特性、生態(tài)系統(tǒng)和氣候區(qū)域的差異導(dǎo)致的。然而很少有研究探究農(nóng)田土壤中，SOM的分子組成，來源和穩(wěn)定性對(duì)礦質(zhì)施肥的響應(yīng)，這些尤為重要，因?yàn)榭紤]到更大的化肥輸入，更高的擾動(dòng)率，更低的SOC水平，并且越來越大的義務(wù)在土壤中儲(chǔ)存更多的C以緩解氣候變化。

SOM通常可以被劃分為POM和MAOM。這兩個(gè)可操作組分在形成、穩(wěn)定和功能上存在本質(zhì)的區(qū)別。這些組分內(nèi)的差異強(qiáng)調(diào)了我們需要分別量化和描述POM和MAOM。越來越多的證據(jù)表明，土壤和作物管理時(shí)間會(huì)改變SOM功能組分中數(shù)量和組成。

目前還沒有研究的報(bào)道農(nóng)田土壤中POM和MAOM組分中SOM分子組成和來源對(duì)長(zhǎng)期礦質(zhì)施肥的響應(yīng)。在本研究中，我們結(jié)合了幾個(gè)關(guān)鍵的分子水平分子標(biāo)志技術(shù)，以闡明農(nóng)田POM和MAOM功能組分的命運(yùn)、分解和來源對(duì)十年礦質(zhì)施肥的響應(yīng)。我們假設(shè)：1）礦質(zhì)施肥添加將增加SOM的數(shù)量和木質(zhì)素來源酚類，而降低微生物殘?bào)w（由于刺激了微生物殘?bào)w的分解）；2）養(yǎng)分介導(dǎo)SOM組成和來源的變化在POM和MAOM組分中存在差異，其中POM將富集植物源SOM，而MAOM將積累微生物源殘?bào)w。

主要結(jié)果

1. 全土和SOC組分的SOC和TN

MAOM組分在顆粒分布中主導(dǎo)（總回收質(zhì)量>60%），并且施肥導(dǎo)致MAOM質(zhì)量增加14%（1a）。大部分SOC集中于MAOM組分（約90%），其中與對(duì)照相比，礦質(zhì)施肥使MAOM組分中SOC增加25%。

圖1 礦物施肥對(duì)POM和MAOM組分質(zhì)量比例（a）和SOC的影響。

2. POM和MAOM組分中游離脂類化合物

對(duì)于POM組分，施肥導(dǎo)致短鏈N-烷烴和N-烷醇降低50%和57%，但使植物源類固醇（即菜油甾醇、豆甾醇和谷甾醇增加46.6%。施肥增加了MAOM組分中長(zhǎng)鏈（≥C20）脂肪族脂質(zhì)的濃度（正烷烴增加了93%，正烷醇增加了156%，正烷酸增加了161%），但減少了短鏈（）正烷烴和正烷醇的濃度，分別減少了50%和57%（表1）。使用了幾種分子指標(biāo)來評(píng)估游離脂質(zhì)的來源和降解狀態(tài)（圖S1）。總體而言，正烷烴的平均鏈長(zhǎng)（ACLAlk）和正烷酸的平均鏈長(zhǎng)（ACLFa）分別在26.4到27.7和16.6到16.9之間變化（圖S1a和c）。與對(duì)照組相比，施肥處理在POM組分中的ACLAlk高于MAOM組分（圖S1a；p < 0.01）。此外，施用礦物肥料增加了POM組分中的OEPAlk和EOPFa（圖S1b和d；p < 0.001）。

3. POM和MAOM組分中的結(jié)合脂質(zhì)

施用礦物肥料使POM組分中的栓皮質(zhì)衍生脂質(zhì)濃度降低了52%，MAOM組分中降低了30%（表1；p < 0.05），而施肥對(duì)POM和MAOM組分中的角質(zhì)衍生成分沒有影響。在POM組分中，角質(zhì)和/或栓皮質(zhì)衍生脂質(zhì)（ΣS?C；ΣS^C）在施肥處理下的相對(duì)含量低于對(duì)照組，而在MAOM組分中則沒有這種差異（表1）。施用礦物肥料顯著降低了POM組分中的栓皮質(zhì)/角質(zhì)比值（圖S2a；p < 0.05）。POM組分中的ω-C18/ΣC18比值在施肥處理中高于對(duì)照處理（圖S2b；p < 0.05）。POM組分中的ω-C16/ΣC16比值在施用礦物肥料后低于未施肥對(duì)照（圖S2c）。此外，施肥導(dǎo)致POM組分中的Σmid/ΣS^C比值高于對(duì)照（圖S2d）。

4. POM和MAOM組分中的木質(zhì)素衍生酚

施用礦物肥料增加了POM和MAOM組分中特定和總的木質(zhì)素衍生酚（圖2；表1）。具體來說，施肥（與對(duì)照相比）處理使POM和MAOM組分中的總木質(zhì)素衍生酚濃度分別增加了74%和31%（圖2；表1）。木質(zhì)素氧化比值，以（Ad/Al）V和（Ad/Al）S表示，在兩種施肥處理之間相似（圖S3）。然而，在特定處理中，POM組分的（Ad/Al）V值高于MAOM組分，而POM和MAOM組分之間的（Ad/Al）S比值則呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)（圖S3）。

圖2 對(duì)照相比，礦質(zhì)施肥對(duì)整體土壤、POM組分和MAOM組分的多種可提取生物標(biāo)志物的影響

表1 POM和MAOM組分中SOM組分的濃度

5. POM和MAOM組分中中氨基糖和微生物殘?bào)w

對(duì)照礦質(zhì)施肥改變了兩種組分中某特定氨基糖濃度（比如，葡萄糖胺、甘露糖胺、半乳糖胺和胞壁酸）（圖2；表1）。施肥使一些氨基糖（除甘露糖胺）和總氨基糖降低31-37%，但是這些變化在MAOM組分中不顯著。我們也發(fā)現(xiàn)兩種組分中真菌和細(xì)菌MRC變化（圖3）。具體來講，礦質(zhì)施肥使POM中細(xì)菌MRC降低37%，然而MAOM組分中施肥未導(dǎo)致MRC顯著差異。施肥降低了POM中細(xì)菌MRC及其對(duì)SOC的貢獻(xiàn)（圖3a和d），并且MAOM組分中真菌MRC和總MRC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)與之趨勢(shì)一致。在所有處理中，POM組分具有比MAOM更高的細(xì)菌MRC、真菌MRC和總MRC占SOC的比例。此外，礦質(zhì)施肥導(dǎo)致MAOM中細(xì)菌MRC高于POM，即使施肥處理和CK間差異不顯著。施肥降低了POM中細(xì)菌MRC/真菌MRC（B/F），而MAOM中這一差異不顯著，此外這一比值在POM中顯著高于MAOM。

圖3 礦質(zhì)施肥影響的細(xì)菌、真菌及其微生物殘?bào)w碳（MRC）對(duì)POM和MAOM組分中SOC積累的貢獻(xiàn)

6. POM和MAOM組分中SOM化合物和標(biāo)志物

B/F、(Ad/Al)V、ω-C18/ΣC18和 ACLFa 沿PC1有更高的負(fù)載荷得分，而 EOPFa、ACLFa、ω-C16/ΣC16、ω-C18/ΣC18和角質(zhì)/栓皮質(zhì)有更高的正載荷得分。POM中對(duì)照處理在ω-C16/ΣC16和ω-C18/ΣC18上存在差異，而施肥處理在Σmid/ΣS^C 和 ACLAlk存在顯著差異。相反，在MAOM組分中，對(duì)照處理由AS、細(xì)菌MRC和總結(jié)合脂類改變，而施肥處理由VSC、總自由脂類、EOPFa和 OEPAlk改變。

圖4 化合物和與降解相關(guān)指標(biāo)之間的主成分分析（PCA）

十年施肥后，POM中植物源碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)從38%增加到52%，在MAOM中從17%增加到21%，而微生物源碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)在POM中從54%下降到38%，MAOM從11%-9%（圖5）。

圖5 植物（定量為木質(zhì)素）、細(xì)菌和真菌源碳對(duì)SOC組分的貢獻(xiàn)。

結(jié)論

1. 十年的礦質(zhì)施肥改變了SOM的分子組成，而非數(shù)量。

2. 礦質(zhì)施肥通過增加穩(wěn)定性組分，從而提高了MAOM相關(guān)碳庫(kù)，這有利于提高溫帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中SOC固存及其持久性。

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