土壤修复过程中有机物的热稳定性和微生物稳定性

《CATENA》：Thermal and microbial stability of organic matter during soil restoration

土壤有机质热稳定性与微生物分解互馈机制研究。通过270天不同土地利用类型土壤孵化结合热重分析发现：初始热稳定性高的SOM更抗分解，孵化后热不稳定组分减少13-24%，而热稳定组分（490-600℃）因微生物驱动产物与矿物相互作用增加1.8倍，且微生物活性高的土壤该过程更显著。热解能量释放减少12-32%，表明化学矿化能垒升高。热稳定性指标可有效快速评估SOM生物稳定性，揭示微生物双重作用：分解热不稳定组分同时稳定热持久组分。

　　

埃卡捷琳娜·菲利莫涅enko | 埃卡捷琳娜·迪米特鲁伊克 | 娜塔莉娅·萨莫霍希娜 | 玛丽亚·乌波罗娃 | 伊琳娜·库尔加诺娃 | 瓦伦丁·洛佩斯·德·赫雷努 | 刘希宾 | 拉达·索科洛娃 | 奥尔加·别祖格洛娃 | 斯韦特兰娜·佐里纳 | 尼古拉·多罗菲耶夫 | 宁唐远 | 雅科夫·库兹亚科夫

中国山东省农业大学农学学院小麦改良国家重点实验室，中国泰安市大庄路61号，271018

摘要

土壤有机质（SOM）的生物稳定性取决于其抵抗微生物分解的能力，这对调节陆地碳（C）的封存至关重要。虽然直接评估SOM的生物稳定性依赖于长期土壤培养过程中微生物释放的碳，但间接但快速的物理化学方法已成为一种有前景的替代方案。在这里，我们将来自农田、农业废弃地和草地的0–5厘米和5–10厘米深度的土壤进行了270天的培养，并结合热重分析和差示扫描量热法，研究了以下两个方面的影响：i) SOM的初始热稳定性对其微生物可分解性的影响；ii) 长期土壤培养对剩余SOM热稳定性的影响。

在270天内，随着初始热稳定性的增加，有机碳的总含量减少，这验证了热稳定性作为微生物可分解性的可靠指标。微生物主要利用热不稳定的SOM（在200–380°C下燃烧），其含量在0–5厘米深度的土壤培养过程中减少了13–24%。由于微生物驱动的产物在热不稳定SOM分解过程中形成并与土壤矿物质相互作用，热稳定的有机质（490–600°C）增加了1.8倍。在微生物活性较高且初始热不稳定SOM含量较大的土壤中，热稳定SOM池的增加更为显著，这反映了更强的“微生物泵”作用。长期土壤培养后剩余的SOM的热燃烧释放的能量比培养前的SOM少12–32%。这是因为更多的能量被用来克服培养后剩余SOM化学矿化的4–9%的能量障碍。总之，热指标是评估SOM生物稳定性的可靠替代指标，并突显了微生物活动的双重作用：分解热不稳定的SOM同时稳定热稳定的SOM池。

引言

土壤中碳（C）的命运在很大程度上取决于有机质对微生物分解的稳定性。土壤有机质（SOM）对微生物分解的抵抗力受到生物、非生物和内在因素的控制。这些因素包括植物输入的数量和质量；土壤微生物的多样性和丰度；土壤温度、湿度、质地和氧气含量；有机化合物的化学和分子抗性及其对微生物和酶的可利用性（Bailey等人，2019；Conant等人，2011；Lützow等人，2006；Sollins等人，1996）。

土地利用和植被类型的变化会影响SOM的稳定性（Soucémarianadin等人，2018），并调节土壤健康和各种生态系统服务（Beillouin等人，2023），包括土壤中的CO₂排放。将森林和草地转化为农田会i) 破坏土壤结构（Franco等人，2020），释放被封闭的碳并加速其微生物矿化；ii) 减少地上和地下碳的输入（Pausch和Kuzyaakov，2018）。这些因素使得农田中的土壤碳储量比自然生态系统中的土壤减少了大约四分之一（Huang等人，2024）。

停止将土地用作农田并将其恢复为森林和草地可以部分恢复土壤碳储量（Kurganova等人，2014），但仅恢复到自然生态系统的一半或三分之二（Huang等人，2024）。此外，在农业废弃地恢复过程中，土壤碳的恢复通常比之前的碳消耗要慢（Beillouin等人，2023；De Rosa等人，2023；Guo和Gifford，2002），并且在恢复初期积累的碳比自然生态系统中的土壤更不稳定（Zhao等人，2025）。在北方地区的废弃土壤中，碳的积累特别缓慢（Huang等人，2024），因为低温抑制了微生物对枯落物的分解，而在温暖和湿润的环境中（如亚热带地区）则不然（Adamczyk，2021）。农田的废弃会影响i) SOM的化学和结构特性（Kurganova等人，2019；Yang等人，2023），尤其是在表土中（Kalinina等人，2018；Kurganova等人，2022）；ii) 微生物群落的组成（Zhong等人，2018）；iii) 参与有机碳分解的基因的丰度（Shi等人，2024b）；以及iv) 微生物利用碳的效率（Shi等人，2024a）。

评估土壤有机碳稳定性基于对阻止其微生物矿化机制的深入理解（Bailey等人，2019），这对于评估废弃农田土壤恢复过程中的碳封存至关重要。可靠的土壤碳稳定性评估方法对于这一目的至关重要。单位时间内土壤释放的CO₂量提供了基于有机物质对异养微生物可利用性的SOM生物稳定性的直接评估（Kurganova等人，2019）。单位土壤有机碳释放的CO₂量反映了SOM的微生物可分解性。由于这种直接评估SOM生物稳定性的方法耗时较长，通常需要数月甚至数年，因此越来越倾向于使用更简单、更快速的SOM稳定性指标（Dole?alová-Weissmannová等人，2023；Plante等人，2011）。

尽管热稳定性指标作为SOM稳定性替代指标的使用迅速发展（Barros等人，2011；Ku?erík，2020；Natali等人，2020），但只有少数研究试图将热稳定性和生物指标联系起来进行实验验证（Gregorich等人，2015；Leifeld和von Lützow，2014；Plante等人，2011；Siewert，2004；Siewert等人，2012）。已经建立了生物和热稳定性指标之间的相关性，例如SOM能量含量与微生物释放的CO₂之间的关系（Plante等人，2011）。

选择一个经历了显著土地利用变化但全球研究有限的地区（Huang等人，2024），以获取具有不同初始SOM热稳定性的土壤样本（表S1），以评估i) 这对其有机质微生物可分解性的影响，以及ii) 分解对剩余SOM热稳定性的影响。我们假设：i) 在农业废弃地恢复过程中，由于热不稳定的SOM积累速度比热稳定和持久的SOM快，因此SOM的微生物可分解性增加；ii) 随着热稳定性的增加，SOM的微生物可分解性降低，因为热不稳定的SOM更容易被微生物分解；iii) 由于热不稳定SOM的分解速度更快以及热稳定SOM对微生物利用的高抵抗力，长期土壤培养后剩余SOM的热稳定性增加。我们通过结合土壤热分析的270天培养实验，对来自农田、农业废弃地和草地的表土进行了测试，以评估长期微生物分解对SOM热池的大小和能量特性的影响。

研究区域和土壤采样

为了研究农业废弃地生态系统恢复过程中的SOM稳定性动态，采用了时间序列方法。该方法利用了一系列代表不同阶段的土壤样本，这些土壤来自农田废弃后的不同时期。我们测试了一个具有不同初始有机碳（C_org）含量和SOM热稳定性水平的壤质Haplic Luvisol时间序列（表1和S1），以评估SOM微生物分解对SOM热池的影响。

土壤有机质的微生物可分解性

在农业废弃地恢复7年和25年后，土壤中的C_org和N含量分别增加了1.6倍和2.7倍（表1）。在270天的土壤培养过程中，草地和农业废弃地土壤的微生物呼吸作用比农田土壤更快（图1）。所有土壤中的微生物呼吸作用都随着培养时间的延长而减少：前两周的MicCO₂量是整个培养期其余时间的9倍（图1）。MicCO₂和累积量

农业废弃地对土壤有机质微生物可分解性和热稳定性的影响

草地和农业废弃地恢复后的土壤中微生物释放的CO₂量大于农田土壤（图1）。这反映了这些土壤中微生物可利用的有机碳含量更高（Plante等人，2011；Zang等人，2024）以及微生物多样性和活性更强（D'Acunto等人，2024），与农田相比。

结论

与农田土壤相比，农业废弃地恢复后的土壤和草地土壤的有机质热稳定性较低，表明其微生物可分解性更强。热指标，如一半SOM被燃烧和损失的温度以及SOM分解的活化能，可以作为预测SOM生物稳定性的稳健、快速替代指标。长期土壤培养由于微生物分解作用，减少了热不稳定有机质的含量，同时

CRediT作者贡献声明

埃卡捷琳娜·菲利莫涅enko：撰写 – 原始草稿、资源收集、数据管理。埃卡捷琳娜·迪米特鲁伊克：研究。娜塔莉娅·萨莫霍希娜：研究。玛丽亚·乌波罗娃：研究。伊琳娜·库尔加诺娃：撰写 – 审稿与编辑、研究、数据管理、概念化。瓦伦丁·洛佩斯·德·赫雷努：研究、概念化。刘希宾：撰写 – 审稿与编辑。拉达·索科洛娃：研究、数据管理。奥尔加·别祖格洛娃：正式分析。斯韦特兰娜·佐里纳：验证，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（资助编号：32472245）、山东省811一流学科建设项目（SOM热稳定性分析）、Sirius联邦领土科学技术发展国家计划（协议编号：18-03，日期：2024年9月10日）（SOM稳定性评估的活化能和能量含量分析）以及俄罗斯科学基金项目的支持。