《Applied Soil Ecology》：Elevated soil organic carbon content limits microbial carbon use efficiency under manure amendment in Mollisols
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本研究为解决我国东北黑土区长期有机物料还田下土壤有机碳（SOC）仍持续下降的矛盾，通过对比分析六项长期（>5年）定位试验，探究了初始SOC含量和微生物碳氮（C:N）化学计量学如何调节粪肥（MR）与秸秆（SR）对SOC固存的影响。研究发现，在SOC < 18 g kg-1的土壤中，粪肥通过缓解微生物氮限制提高了微生物碳利用效率（CUE），从而显著增加了SOC累积量；但在SOC > 18 g kg-1的土壤中，粪肥因碳氮供应超过了微生物同化需求，诱导了溢流呼吸，导致CUE降低，反而不利于SOC固存。该研究揭示了微生物CUE是SOC梯度上有机改良效应差异的关键微生物机制，强调了根据土壤本底碳水平和微生物养分限制“量体裁衣”制定有机物料还田策略，对优化黑土区长期固碳和提升地力具有重要意义。
被誉为“中华粮仓”的我国东北黑土区，正面临着一个棘手的难题。几十年来，尽管人们普遍采用施加粪肥、秸秆还田等方式试图“增肥”土地，提升土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）含量，但黑土的“体质”似乎并未得到根本扭转，有机碳持续流失的趋势依然存在。这不禁让人困惑：投入的“养分”去哪了？为什么看似有效的改良措施，在不同地块的效果却大相径庭？科学家们将目光投向了土壤中看不见的“主角”——微生物。微生物在分解有机物、构建稳定土壤碳库的过程中扮演着核心角色，其“工作效率”，即微生物碳利用效率（Carbon Use Efficiency, CUE，指微生物将吸收的碳分配到自身生长而非呼吸消耗的比例），被认为是连接有机物输入与土壤碳长期固存的关键桥梁。然而，微生物的“工作状态”深受其生存环境——土壤本底肥力，尤其是初始有机碳含量及其碳氮（C:N）化学计量平衡的影响。在肥沃和贫瘠的土地上，同样的有机物料输入，会通过怎样的微生物过程，最终导向截然不同的固碳结局？这一黑土固碳增效的微观调控密码亟待破解。
为了解答上述问题，由侯冠群和侯瑞星等研究人员在《Applied Soil Ecology》上发表的研究，对我国东北黑土带西部六个长期（5-10年）定位试验点的土壤进行了系统分析。研究人员巧妙利用该区域SOC含量天然梯度明显（7-38 g kg-1）的特点，设置了粪肥还田、秸秆还田和不还田的对照处理，旨在探究初始SOC含量和微生物C:N化学计量学如何调控粪肥与秸秆对SOC固存的影响及其微生物机制。
本研究综合运用了多种技术方法。首先，基于长期田间定位试验，采集了不同处理（粪肥、秸秆、对照）下的土壤样品。通过常规化学分析测定SOC、总氮（TN）、溶解性有机碳（DOC）等理化指标。其次，利用氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳、氮、磷。第三，通过比色法测定β-葡萄糖苷酶（BG）等胞外酶活性，计算碳氮获取酶活性比（EEAC:N）和向量角（VA）以评估微生物养分限制。第四，基于酶化学计量和微生物生物量化学计量的资源限制模型估算微生物CUE。第五，对土壤进行宏基因组测序，通过KEGG数据库注释分析碳氮代谢相关功能基因的相对丰度。最后，采用结构方程模型（SEM）和统计分析，整合土壤性质、微生物指标和代谢通路数据，解析各因素间的因果关系。
3.1. 粪肥与秸秆对SOC固存的对比效应
研究人员发现，有机改良的效果强烈依赖于土壤本底的SOC水平。在SOC < 18 g kg-1的地点，粪肥和秸秆均能显著增加SOC含量，且粪肥的效果优于秸秆。然而，在SOC > 18 g kg-1的地点，情况发生了反转：与秸秆处理相比，粪肥处理反而降低了SOC含量，其SOC固存效率甚至为负值。这表明，在碳含量已经较高的黑土中，施加粪肥可能不利于碳的进一步积累。
3.2. 氮限制缓解一致但CUE响应分异
所有试验点的微生物群落均受氮限制（酶向量角VA < 45°）。与秸秆相比，粪肥处理普遍提高了碳氮获取酶活性比（EEAC:N），降低了氮获取功能基因（如amt, nifH）的相对丰度，表明其缓解了微生物的氮限制。但是，这种缓解对微生物CUE的影响却因SOC水平而异：在低SOC土壤中，粪肥使CUE提高了2.55%；而在高SOC土壤中，粪肥却使CUE降低了2.97%。这种CUE的分异响应直接关联于SOC固存效果的差异。
3.3. 微生物碳氮代谢途径与功能响应
宏基因组分析为上述现象提供了机制性证据。在低SOC土壤中，粪肥处理上调了三羧酸循环相关基因，而下调了与溢流呼吸（如ADH, LDH）相关的基因，表明微生物代谢转向更高效的有氧途径，有利于碳同化。相反，在高SOC土壤中，粪肥处理虽然也缓解了氮限制，但强烈上调了糖酵解、脂肪酸β-氧化等碳降解途径以及溢流呼吸相关基因，表明过量的碳氮供应诱导了能量耗散策略，导致呼吸损失增加，CUE下降。
4. 讨论与结论
本研究通过整合土壤化学、酶学、微生物生物量及宏基因组学数据，深刻阐明了初始SOC含量通过调节微生物CUE来主导有机改良固碳效果的机制。在低SOC（<18 g kg-1）土壤中，微生物面临较强的氮限制，粪肥因其富含易降解碳和氮，能有效缓解养分限制，优化微生物代谢，提高CUE，从而将更多碳固定在微生物生物量及其衍生物中，促进SOC积累。此时，粪肥是优于秸秆的改良选择。
然而，在高SOC（>18 g kg-1）土壤中，本底较高的SOC:TN比意味着碳相对富足，微生物氮限制本身较弱。此时，粪肥输入的大量易利用碳和氮可能超过了微生物的最佳同化需求，造成了化学计量失衡。微生物无法将所有碳用于生长，便通过上调溢流呼吸等低效途径将过剩碳“燃烧”掉，导致CUE降低。此时，碳氮比较高、分解相对缓慢的秸秆，其输入与土壤条件及微生物群落（可能更偏向真菌主导）的化学计量需求更为匹配，反而能支持更稳定的碳固存。
这项研究的核心结论在于，有机物料还田的固碳效果并非简单的“投入越多，固存越多”，而是存在一个关键的SOC阈值（本研究中约为18 g kg-1）。超过此阈值，粪肥的“促碳”效应可能转为“耗碳”风险。其重要意义在于为黑土保护与地力提升提供了精准的微观机制依据和可操作的管理策略框架：对于有机碳较低、肥力退化的黑土，推荐施用粪肥以快速补充养分、提升微生物效率和固碳能力；而对于本底有机碳已经较高的肥沃黑土，则应优先推广秸秆还田，以维持和促进更为稳定、长效的碳固存。未来，结合土壤本底碳氮比，通过配施氮肥或选择低C:N比的秸秆品种来调节物料化学计量，可能是进一步优化各类土壤微生物CUE、实现固碳增效的可行方向。该研究强调了基于土壤-微生物相互作用的精准管理，是实现农业绿色、可持续发展与碳中和目标的关键。
