氮素有效性如何重塑土壤碳库形成路径：根系输入对颗粒态与矿物结合态有机质中ex-vivo和in-vivo途径贡献的调控机制

《Geoderma》：Nitrogen availability alters the contribution of ex-vivo and in-vivo pathways to carbon formation in particulate- and mineral-associated organic matter

土壤有机碳固存依赖于颗粒态和矿物结合态有机质的形成，而根系沉积是其主要来源。然而，根系沉积物的数量与质量如何影响其通过直接（ex-vivo）途径和微生物加工后（in-vivo）途径对不同碳库的相对贡献仍不明确。本研究通过在草地生态系统进行长期刈割与施氮处理，并结合13CO2脉冲标记、水溶性代谢物分析与NEXAFS谱学等技术，揭示了氮添加通过增加微生物对根系碳的利用，促进in-vivo途径对矿物结合态有机碳的贡献，同时通过增加细根生物量和根系沉积碳促进ex-vivo途径对颗粒态有机碳的积累。该研究阐明了氮有效性对土壤碳形成路径的关键调控作用，为优化管理措施以提升土壤碳固存潜力提供了新见解。

　　

土壤，这个我们脚下看似平常的基质，其实是全球碳循环中一个巨大的、活跃的碳库。它不仅储存了比大气更多的碳，其微妙的平衡变化也深刻影响着气候变化。土壤中的碳主要来源于植物，尤其是根系释放的物质（即根系沉积物）。这些物质一部分会直接与土壤矿物结合，形成相对稳定的矿物结合态有机质（Mineral-Associated Organic Matter, MAOM），另一部分则会形成颗粒更大、周转更快的颗粒态有机质（Particulate Organic Matter, POM）。理解碳如何进入并稳定存在于这两大碳库，是提高土壤碳固存（Carbon Sequestration）能力的关键。

然而，这个过程并不简单。根系沉积的碳进入土壤后，主要有两条路径。一条是“体外”（ex-vivo）路径，即根系沉积的有机物（如根分泌物、粘液、死亡细胞等）在未被微生物同化之前，通过胞外酶分解转化，或直接吸附在矿物表面，最终被稳定在MAOM中。另一条是“体内”（in-vivo）路径，即根系沉积的碳首先被微生物“吃”掉，用于生长繁殖，最终以微生物产物、代谢物或遗骸（微生物残体）的形式稳定在土壤碳库中，特别是MAOM中。这两条路径的效率和贡献，在很大程度上决定了有多少进入土壤的碳能够被长期封存。

一个核心的谜题是：究竟是什么因素决定了碳更倾向于走哪条路？氮素（Nitrogen, N），作为植物和微生物生长不可或缺的营养元素，它的供应水平很可能是一个关键的调控者。例如，氮肥的施用可能会改变植物的生长，进而影响其向下运输的碳（即根系沉积物）的数量和质量；同时，氮的供应也可能直接改变微生物的活性和群落结构，影响其对根系碳的利用策略。然而，关于氮素如何通过影响根系沉积物的数量与质量，进而调控碳进入POM和MAOM这两条路径的相对贡献，我们仍知之甚少。

为了解开这个谜题，由Bahareh Bicharanloo等研究人员领衔的团队开展了一项长达五年的草地生态系统试验，并将研究成果发表在国际土壤科学著名期刊《Geoderma》上。他们通过操控刈割频率（模拟低强度与高强度放牧）和氮肥施用（0 与 40 kg N ha^-1year^-1），成功诱导了植物地下部碳分配和根系沉积物的变化。在研究中，研究人员创新性地在夏中和夏末进行了两次短暂的¹³CO₂脉冲标记，精准追踪了新近光合碳在土壤碳库中的短期归宿。他们不仅测量了土壤二氧化碳通量及其同位素组成，以估算根系沉积碳的矿化量，还深入分析了土壤水溶性代谢物（如氨基酸、有机酸、糖类）的组成，并利用近边X射线吸收精细结构（Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure, NEXAFS）光谱技术，解析了POM和MAOM组分中碳官能团（如羧基碳、烷基碳、芳香碳等）的化学结构。这些多层次的证据链，共同揭示了氮素有效性如何重塑土壤碳形成的微观路径。

研究人员开展研究用到的主要技术方法包括：

1. 1.
   草地长期田间定位试验：在澳大利亚悉尼附近的一片天然草地上，设置了刈割频率（低：每年3-4次；高：每年6-8次）和氮肥水平（0 vs. 40 kg N ha^-1year^-1）的析因处理，连续实施五年，以调控植物地下碳分配。
2. 2.
   ¹³CO₂脉冲-短时标记技术：在夏中和夏末进行两次2小时的¹³CO₂脉冲标记，标记后仅三天取样，旨在追踪新光合碳在根系沉积后短期内（避免根系周转干扰）进入土壤各碳库的过程。
3. 3.
   土壤有机质物理分组：采用化学分散和湿筛法，将土壤分为颗粒态有机质（POM, >53 μm）和矿物结合态有机质（MAOM, <53 μm）两个功能组分，并分别测定其总碳和¹³C丰度。
4. 4.
   生物标志物与化学结构分析：利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行非靶向代谢组学分析，测定土壤中水溶性代谢物（氨基酸、有机酸、糖等）的组成和浓度；利用同步辐射NEXAFS光谱技术，定量分析POM和MAOM中不同碳官能团的相对丰度。

研究结果：

3.1. 刈割与施氮对植物-土壤-微生物碳库及代谢物的影响

研究证实了处理能够有效改变植物碳分配。施氮增加了地上和地下生物量。根系沉积速率（以根系沉积碳的分解速率R_rhizo为指标）和根系沉积碳在土壤中的滞留量，在低刈割频率下随施氮而增加，但在高刈割频率下随施氮而减少，表现出显著的交互作用。微生物对¹³C的吸纳比例在高刈割频率下更高。在碳库分配上，¹³C进入POM的比例在低刈割施氮时最高，而进入MAOM的比例则在低刈割不施氮时最低，高刈割施氮时最高。水溶性代谢物分析显示，总氨基酸浓度随刈割频率增加而增加，其中亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸在施氮和高刈割下浓度较高。在有机酸中，苹果酸在施氮特别是高刈割下比例增加。糖类中，蔗糖和海藻糖在低刈割施氮下比例略增，而葡萄糖在高刈割施氮下比例较高。

3.2. ex-vivo与in-vivo途径在POM和MAOM碳形成中的作用

NEXAFS光谱分析揭示了POM和MAOM化学组成的差异。MAOM含有更多芳香碳、酚类碳和烷基碳，而POM中羧基碳和O-烷基碳的比例更高。施氮增加了POM中羧基碳的丰度，这很可能反映了细根生物量和根系沉积碳的增加，支持了ex-vivo途径对POM-C的贡献。同时，施氮也增加了POM中O-烷基碳（主要为微生物来源）的丰度，提示in-vivo途径也参与了POM-C的形成。在MAOM中，当根系沉积率较低时（如高刈割处理，特别是不施氮时），芳香碳与侧链及氮取代芳香碳的丰度增加，且苹果酸、甘露糖等植物和微生物共有的代谢物浓度升高，表明此时ex-vivo和in-vivo途径共同贡献于MAOM-C。

统计分析进一步支持了这些路径的贡献模式。根系沉积碳与微生物生物量中的¹³C呈正相关，但与POM总碳呈负相关，表明更多的根系沉积可能促进了微生物利用（in-vivo路径），但并未直接、成比例地增加POM-C积累。POM和MAOM的总碳均与微生物生物量中的¹³C负相关。MAOM总碳与微生物生物量碳正相关，并且两者都与土壤可溶性有机碳浓度正相关。典型相关分析表明，MAOM-C的变化与糖类、氨基酸和多元醇的关联更紧密，而POM-C的变化则与有机酸和肌醇的关联更强。

研究结论与意义：

本研究通过整合田间控制试验、稳定性同位素示踪、代谢组学和化学结构分析，系统阐明了氮素有效性如何通过改变根系沉积物的数量和质量，调控土壤碳通过ex-vivo和in-vivo两条路径进入POM和MAOM库的相对贡献。

研究主要结论包括：首先，ex-vivo途径是POM-C形成的主要来源，其贡献随着细根生物量生产和根系沉积的增加而增加，特别是在施氮条件下。同时，衰亡的微生物或菌丝也可能贡献POM-C，表明in-vivo途径也存在共贡献。其次，ex-vivo和in-vivo途径共同贡献于MAOM-C的形成，但其主导地位受氮素有效性的调节。当氮素受限（如不施氮处理）时，ex-vivo途径的贡献可能变得更加重要；而当氮素供应充足时，氮添加增加了微生物对根系沉积碳的利用，从而增强了in-vivo途径对MAOM-C的贡献，这得到了与MAOM-C相关的海藻糖（一种微生物源代谢物）浓度增加的证据支持。

这项研究的重要意义在于，它首次在田间生态系统中，将氮素管理、植物碳分配、微生物过程与土壤碳库形成的具体化学路径直接联系起来。它表明，旨在提高土壤碳固存的管理措施（如施肥、放牧管理）的效果，可能高度依赖于其对上述两条碳稳定化路径平衡的影响。优化氮素管理不仅可能增加植物碳输入，还可能通过调控微生物途径，影响最终被封存碳的化学形态和稳定性。这为发展基于过程的、精准的土壤碳管理策略提供了关键的科学依据，对于应对全球气候变化和实现农业可持续发展具有深远影响。