《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Photodegradation and microbial decomposition of soybean and maize crop residues before and after harvest
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农业生态系统中原有作物残体分解受光照和微生物共同影响，本研究在阿根廷潘帕斯地区通过控制光照和微生物活动，发现收获前光照与微生物协同加速残体分解，贡献率分别为15-24%和30-54%，且大豆残体因更易光降解和微生物分解而分解更快。
Felipe Cabrera|Patricia Inés Araujo|Lucía Vivanco
CONICET - 布宜诺斯艾利斯大学，农业相关生理学与生态学研究所（IFEVA），阿根廷布宜诺斯艾利斯
摘要
在农业生态系统中，阳光及其与微生物的相互作用在作物残渣分解中的作用尚不明确。我们评估了收获前（植物此时已衰老但仍矗立在地面上）以及收获后（冬季休耕期间，残渣留在土壤表面）大豆和玉米残渣的分解过程。我们提出以下假设：（1）收获前分解主要由阳光驱动，而收获后微生物的作用更为显著；（2）由于收获前大豆残渣更容易受到阳光作用而分解，且其营养成分更高，这促进了收获后的微生物分解。我们在阿根廷潘帕斯地区进行了田间实验，分别通过过滤器和杀菌剂来控制阳光和微生物的影响。与预期相反，收获前的分解过程在阳光和微生物的共同作用下显著加速，导致玉米残渣损失约141公斤碳/公顷，大豆残渣损失约108公斤碳/公顷。仅阳光作用占叶片总质量损失的15-24%，而微生物作用占30-54%。结果表明，阳光通过光降解而非光促进作用来影响微生物分解。收获前的分解速度是收获后的两倍，且阳光和微生物均对分解有贡献。这些发现强调了阳光和微生物对残渣转化的显著作用，尤其是在收获前仍矗立的作物上，这一阶段在农田碳循环中至关重要但常被忽视。
引言
农业生态系统中的植物残渣分解主要由收获前后的作物残渣分解驱动。这一过程是农田碳循环的核心组成部分，它调节着作物产生的有机物向大气中二氧化碳的转化，并通过形成微生物生物产物以及将残渣化合物固定在土壤颗粒上来促进土壤碳储存（Angst等人，2021年；Piazza等人，2024年；Sokol和Bradford，2019年）。作物残渣的分解还能将必需的营养物质返还土壤，从而维持农业生态系统的生产力。全面了解分解过程及其控制因素对于有效管理农业、减少碳排放和保持土壤有机质储量至关重要。
传统上，关于植物残渣分解的研究主要集中在气候（包括温度和降水量）、残渣质量和数量以及分解者群落对碳循环的影响（Bradford等人，2017年；Swift等人，1979年）。Ntonta等人（2022年）系统回顾了这些因素对作物残渣分解的影响。最近来自干旱和半干旱生态系统的证据表明，阳光在残渣分解中起关键作用（Austin和Vivanco，2006年；Brandt等人，2009年；Day等人，2007年）。阳光通过光降解（直接的非生物化学过程）和光促进作用（由光降解引起的残渣化学变化间接刺激微生物分解）来影响分解过程。紫外线辐射和短波可见光（蓝绿色）是这两种过程的主要驱动因素（Austin和Ballaré，2010年；Brandt等人，2009年）。木质素在光降解和光促进作用之间起着中介作用：它强烈吸收太阳辐射并易受光降解影响，从而增加微生物对残渣中碳水化合物的利用，进而促进生物分解（Austin和Ballaré，2010年）。
尽管越来越多的证据表明阳光是残渣分解的重要驱动因素，但其在农业生态系统中的作用仍不甚清楚。最近的对照实验表明，阳光可以显著促进大豆、向日葵、小麦和玉米等作物残渣的分解（Araujo等人，2022年；Méndez等人，2022年），这表明阳光可能是农业生态系统中碳循环的重要途径。然而，目前关于作物残渣分解和养分矿化的知识大多来自休耕期间地表的研究（Lupwayi等人，2004年；Schomberg等人，1994年；Schomberg和Steiner，1999年；Varela等人，2017年），而收获前残渣在接触土壤之前仍暴露在阳光下时的分解过程尚未得到充分探索。其他生态系统的证据表明，即使在衰老的叶片仍矗立的情况下，分解也可以开始（Austin等人，2009年；Berenstecher等人，2021年；Rumpel，2011年；Suspense A等人，2018年），这一过程由残渣内的微生物活动和非生物过程（如淋溶作用，Day等人，2022年）共同驱动。然而，尚无田间研究明确评估过阳光及其与微生物活动相互作用对农业条件下作物残渣分解的影响。因此，阳光介导的收获前分解对作物系统总残渣质量损失和碳循环的贡献仍不清楚。
微生物是作物残渣分解的主要参与者（Bray等人，2012年；Sokol等人，2022年），增强微生物的数量和活性可以加速有机物的分解和养分释放，可能对作物产量产生积极影响（Bedano等人，2019年；Bender等人，2016年；Garland等人，2021年）。微生物活性受残渣的物理和化学性质影响，包括木质素含量、木质素与氮的比率以及叶片硬度（Martens，2000年；Ntonta等人，2022年；Wang等人，2025年）。虽然大多数研究集中在与土壤接触的残渣上，但叶层和残渣上定植的微生物对分解的贡献也越来越受到重视（Fanin等人，2021年；Liu等人，2024年）。然而，这些微生物群落在农业生态系统中的贡献仍不甚清楚，尤其是它们之间的潜在协同作用或权衡关系。本研究重点探讨了阳光和微生物对作物残渣质量损失的净效应，认识到阳光可以通过光降解直接作用于残渣，也可以通过光促进作用间接影响微生物活性，同时可能对分解者产生抑制作用。
阿根廷潘帕斯地区原本以草地为主，现已大部分转变为集约化农业（Flombaum等人，2024年）。该地区是全球主要的玉米和大豆生产中心，主要采用免耕耕作方式，超过90%的耕地采用这种种植系统（ReTAA，2022年）。潘帕斯地区具有温带半湿润气候、高太阳辐射量和深厚的富含有机质的壤土，这些条件使得该地区成为评估不同管理措施对大规模机械化农业下土壤碳储量影响的关键区域。作物种植通常以夏季作物（如大豆和玉米）为主，随后是漫长的冬季休耕期，期间通过化学除草剂控制杂草（Caride等人，2012年；Pinto等人，2017年）。该系统的特点是残渣在田间长期存在，经历两个光照和土壤接触情况不同的时期：收获前植物已衰老但仍矗立，所有地上生物量都暴露在阳光下；收获后残渣直接接触土壤，休耕期持续到下一个种植周期开始，此时太阳辐射减少，有利于微生物分解。
本研究的主要目的是确定阳光和微生物及其相互作用在田间条件下对大豆和玉米残渣分解的相对重要性。我们在上述两个不同阶段评估了这些因素的影响。我们的第一个假设认为，阳光和微生物的相对重要性在不同阶段有所不同：收获前阳光起主导作用，而收获后由于微生物直接接触土壤和光照减少，微生物的作用变得更加显著。第二个假设认为，无论在哪个阶段，大豆残渣的分解速度都快于玉米残渣，但机制不同：收获前大豆残渣受阳光影响更大，且残渣质量更高，有利于微生物分解；收获后大豆残渣中的氮含量更高，氮与碳的比率更低，也有利于微生物分解。这两个假设共同探讨了阳光和微生物如何共同调节不同作物类型和农业周期不同阶段的残渣分解。
研究地点
研究在布宜诺斯艾利斯大学管理的Estancia San Claudio农业田进行，位于内陆潘帕斯地区（南纬36° 00’，西经61° 05’）。该地区的主要作物是大豆和玉米，占耕地的80%（Rodríguez等人，2024年）。生产系统采用传统的轮作模式（玉米-休耕-大豆-小麦-第二次种植大豆-休耕-玉米），并采用免耕耕作方式。冬季休耕采用化学除草方式。
初始残渣质量
我们使用连续提取法（Van Soest，1963年）和自动Ankom 220纤维分析仪（Ankom Technology，美国马塞顿）测量了大豆和玉米叶片的初始残渣质量，包括木质素、纤维素和半纤维素含量。具体方法是将500毫克研磨后的残渣放入F57过滤袋中，用热水清洗两小时，然后在80°C下干燥24小时并称重。此步骤中损失的干质量被视为可溶性物质。
收获前后的环境条件
收获前后的环境条件存在差异，反映了季节性气候变化和冠层结构的变化。收获前的累积太阳辐射量为1468.8 MJ m2，平均每日辐射量为17.28 MJ m2 d?1；收获后的平均每日辐射量较低（14.04 MJ m2 d?1），但由于休耕期较长，累积辐射量较高（2316.14 MJ m2）。平均每日温度有所下降。收获前
收获前，有完整微生物和充足阳光条件下的残渣分解速率明显高于微生物和阳光均减少的条件（Microbes-Sunlight-）。这一现象在大豆和玉米残渣中均存在（图4），表明微生物和阳光分别独立发挥作用。在Microbes-Sunlight-处理下，大豆残渣损失了18.7%的有机质量；而在Microbes+Sunlight+处理下损失了33.8%的有机质量（图4）。讨论
本研究发现，收获前后的作物残渣分解动态存在差异，阳光和微生物在收获前起关键作用。收获前残渣的分解速率大约是收获后残渣在土壤表面分解速率的两倍（图4C–D和6C–D）。这表明分解过程在作物仍矗立时就已经开始。这也表明，这一阶段对
结论
我们的田间研究表明，在相对较短的收获前阶段，阳光和微生物分别贡献了约15-20%和30-50%的叶片质量损失，导致玉米（约141公斤碳/公顷）和大豆（约108公斤碳/公顷）叶片的碳损失。在区域尺度上，这些损失占作物生长周期（约5个月）产生的总碳量的10-15%，但它们发生在作物生长的前三个月内。
作者贡献声明
Lucía Vivanco：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。Patricia Inés Araujo：撰写、审稿与编辑、研究、概念构思。Felipe Cabrera：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、研究、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢在田间和实验室工作中提供帮助的人员，包括F. Simoes、A. Faigon、M.S. Méndez以及Estancia San Claudio的工作人员，还有G. Pi?eiro、M. P. Galotta、K.B、Gedan和两位匿名审稿人对研究结果提出的宝贵意见。本研究得到了布宜诺斯艾利斯大学（UBACyT 2023）、Williams基金会以及国家研究、技术开发与创新促进机构（PICT 2018–03975）的支持。
