文献信息
原名：Erosion-induced soil heterogeneity determines the fate of plant litter carbon via divergent microbial pathways
译名：侵蚀造成的土壤异质性通过分异的微生物途径决定植物凋落物碳的去向
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：10.3
发表日期：2026年5月
通讯作者：王祥
第一作者：石佳
第一单位：中国农业大学土地科学与技术学院
背景
土壤有机质是全球碳循环与农业可持续性的核心，其中矿物结合态有机质（MAOM）是土壤中最持久、储量最大的碳组分，主要源于微生物对植物凋落物的分解与转化。土壤侵蚀在景观尺度上形成非侵蚀、侵蚀和沉积等生物地球化学环境迥异的区域，改变了微生物群落与底物有效性，进而影响新鲜碳输入的土壤去向。
在中国东北黑土区，长期侵蚀导致表土流失，免耕结合根茬覆盖被广泛采用。然而，新鲜凋落物添加可能引发正激发效应（加速原生SOM分解），抵消碳固持；反之，“续埋效应”可能促进固碳。激发效应的方向与强度取决于凋落物类型与土壤固有条件的相互作用，但目前沿侵蚀梯度这一作用如何调控凋落物碳的归宿尚不明确。因此，亟需明确不同侵蚀位置下凋落物类型对激发效应及MAOM形成效率的影响，为因地制宜的碳管理提供依据。
科学问题
（1）在不同侵蚀位置（未侵蚀的坡上、侵蚀的坡中和沉积区），秸秆与根茬输入如何通过不同的微生物机制调控激发效应的方向与强度？
（2）在不同侵蚀位置（未侵蚀的坡上、侵蚀的坡中和沉积区），凋落物源碳向 MAOM 的稳定效率是否存在显著差异？
材料与方法
（1）试验地概况：试验地位于黑土区（吉林省伊通县），属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均温5.5 °C、年均降水651.7 mm。
（2）试验设计：沿侵蚀坡地采集非侵蚀、侵蚀、沉积三种黑土，将¹³C标记的玉米秸秆与根茬分别添加至3种土壤中，25°C培养60天，定期测定CO₂排放量及其δ¹³C。结合碳组分分级与微生物群落分析（PLFA和宏基因组测序），追踪凋落物源碳去向，量化激发效应与MAOM形成效率。
（3）测定指标：CO₂排放量及其δ¹³C；碳组分（POM/MAOM、DOC、MBC）及其δ¹³C；微生物群落结构（PLFA总丰度、细菌G+/G-、真菌、F:B比）；微生物功能基因（KEGG及CAZymes）；氮组分（矿质氮、净氮矿化速率、总溶解氮）。基于以上数据计算激发效应、微生物碳利用效率（CUE）和碳稳定效率。
结果
（1）土壤侵蚀与凋落物类型对凋落物源碳分配的调控
添加植物凋落物（秸秆和根茬）显著增加了三种土壤的累积CO2排放量（图1）。与对照相比，秸秆和根茬输入分别使CO2排放量增加361.3%—621.4%和406.5%—828.1%（图1a-c,e）。根茬源CO2排放在三种土壤中始终占总CO2排放的近70%。相比之下，侵蚀土壤显著降低了秸秆源CO2排放对总CO2排放的贡献（侵蚀位点为54%，其他两个位点约为80%）。因此，在三种土壤中，秸秆在侵蚀土壤中诱导了最强的激发效应（图1b-d,f）。根茬在非侵蚀位点触发了最高的激发效应，分别比侵蚀和沉积土壤高约3.7倍和2.6倍（图1b-d,f）。
图1 添加秸秆（Str）或根茬（Stu）后，非侵蚀土壤（a）、侵蚀土壤（c）和沉积土壤（e）中60天培养期间的累积CO₂排放量；以及非侵蚀土壤（b）、侵蚀土壤（d）和沉积土壤（f）中凋落物诱导的激发效应（PE）。
凋落物类型仅显著影响DOC和MAOC的形成效率（即凋落物源碳在土壤碳库中的回收比例）以及13C-MAOC的含量，而对其他13C组分（如POC、DOC和MBC）无显著影响。例如，与根茬处理相比，秸秆使DOC和MAOC的形成效率分别提高了1.99倍和2.06倍（图2）。不同凋落物均显著提高了土壤POM、DOM和微生物量的C：N比（RR of C：N>0）（图3）。
图2 在非侵蚀、侵蚀和沉积土壤中，以碳组分形式稳定在土壤中的添加植物凋落物[各¹³C库在土壤中的回收量/添加的凋落物源碳量 (g/g)]。
图3 POM、MAOM、DOM 和微生物生物量的碳氮比（C:N）的响应比。
（2）土壤侵蚀和凋落物类型对微生物群落及其功能基因的影响
秸秆和根茬均改变了微生物群落组成（基于PLFA分析）（图4a）。就特定PLFA而言，凋落物显著增加了细菌（包括G+和G-细菌）、真菌和总PLFA（RR>0）（图4b）。在三种土壤中，侵蚀土壤在响应秸秆和根茬添加时，其微生物PLFA增加幅度最大，包括总PLFA、细菌PLFA（G+和G-）、真菌PLFA以及F:B比。此外，在秸秆添加处理中，PLFA的增加与激发效应呈正相关（图5），但这种相关性在根茬添加处理中不显著。
图4 基于磷脂脂肪酸（PLFA）的微生物群落组成（a），以及特定类群的响应比（b）。
图5 在添加秸秆的土壤中，PLFA 及植物源碳分解基因的响应比（RR）与土壤相对激发效应（PE）的相关关系。
宏基因组测序结果显示，就三种土壤的KEGG图谱而言，在非侵蚀位点，根茬极大地增强了编码淀粉、半纤维素、纤维素和木质素分解的基因（图6b）。这些增加的基因（半纤维素除外）与根茬处理中的PE显著相关（图6c）。相比之下，与非侵蚀和沉积位点相比，秸秆添加仅显著增加了非侵蚀位点的纤维素分解基因（图6b），且这些基因与PE无相关性。
图6（a）主坐标分析揭示了凋落物对微生物基因的影响、（b） 编码植物源碳分解基因的响应比（RR）、（c） 添加根茬土壤中，编码植物源碳分解基因的响应比与土壤相对激发效应（PE）之间的关系。
（3）土壤侵蚀和凋落物类型对碳利用效率与稳定效率的影响
基于碳排放以及微生物将凋落物源碳同化至生物量和MAOM的过程，分别计算了CUE和碳稳定效率（新形成的矿物结合态有机碳与凋落物分解过程产生的碳排放的比值）。结果表明，微生物CUE不受凋落物类型或土壤位置的影响（图7a和图8）。相比之下，稳定效率受凋落物类型显著影响，秸秆比根茬提高了96%（图7b）。高稳定效率表明土壤能够捕获更多的凋落物源碳，同时伴随更低的凋落物源CO2排放和激发效应。
图7 凋落物源碳的碳利用效率（CUE）（a）与矿物结合态有机碳（MAOC）的稳定效率（b）。
图8凋落物添加对土壤碳利用效率（CUE）及基于同位素计算的碳稳定效率的影响。
结论
本研究采用¹³C同位素示踪法，探究了植物凋落物（秸秆与根茬）在侵蚀坡地的不同坡位土壤中的分解及碳库形成过程。研究表明，秸秆在侵蚀区土壤中通过微生物活化作用引发了最大的激发效应。根茬则在非侵蚀区土壤中通过微生物上调编码根茬分解的基因所驱动的共代谢作用，引发了最强的激发效应。此外，尽管同一凋落物在不同坡位土壤中的碳稳定效率一致，但秸秆的碳稳定效率显著高于根茬。
研究揭示了由侵蚀塑造的土壤异质性与凋落物的相互作用如何影响凋落物源碳转化为土壤有机碳。研究结果强调在侵蚀景观中须采取因地制宜的管理策略，以实现土壤碳的有效累积与固存。