【视点】吉林农业大学窦森教授土壤有机质团队:13C15N标记技术揭示外源微生物如何改变植物残体在土壤有机质中的命运
- 2026-05-30 11:45:06
【视点】吉林农业大学窦森教授土壤有机质团队:13C15N标记技术揭示外源微生物如何改变植物残体在土壤有机质中的命运
为了回答这些问题，吉林农业大学窦森教授土壤有机质团队应用13C15N双标记同位素示踪技术，使用玉米秸秆作为PRe，分别与里氏木霉、哈茨木霉、黄孢原毛平革菌、枯草芽孢杆菌以及组合木质纤维降解菌进行为期360 d的室内培养，精细解析PRe投入后在DOM与SOM中的周转、归属和同化差异，为精准微生物调控、优化秸秆还田策略及农业碳汇管理提供理论支撑。 主要结果如下： 在碳氮分配差异方面（图2a-d），秸秆中碳源对SOM与DOM的贡献显著高于氮源贡献。组合微生物处理（PRe-A）的秸秆源碳贡献率360天达11.1%；里氏木霉（PRe-r）在单一菌处理中最高。秸秆源氮对TN的贡献较低，PRe-A处理360天时仅3.1%。PRe-r处理的秸秆源碳DOC贡献率显著高于其他处理（360天15.9%），而所有处理中秸秆源氮对DTN贡献率普遍较低（1.9-5.5%），但真菌处理能显著促进土壤源可溶性氮留存。 剩余比例方面（图2e-f），真菌处理使提高了秸秆源碳的剩余比例；虽然PRe-A处理的秸秆源碳剩余比例最高，但会导致土壤源氮大量损失，而PRe-r处理却在培养结束时保持了最高的土壤源氮剩余比例（83.6%）。所有处理在30天时均显著促进土壤可溶性氮和秸秆可溶性碳的释放，但其剩余比例随培养时间波动下降。 
结合相关酶活性和微生物群落结构结果（图3）分析，不同外源菌株通过调控酶活与微生物互作，差异性地重塑土壤碳氮循环微生物生态。外源真菌可以更有效驱动碳氮循环酶活性，混合接种外源菌可更有效地促进蛋白质分解；组合微生物处理虽增强微生物互作，但可能加剧竞争；而单菌接种则导致群落结构简化或局部连接性增强。 
利用PLS-PM模型进一步揭示（图4）：细菌多样性是连接DOC与土壤碳循环的关键中介，调控多条“酶活性-碳库”路径。土壤源本底碳是TOC的主要直接来源。真菌多样性增加会抑制TOC的积累。DTN是限制细菌多样性的主要因子，但对真菌影响微弱。氮相关酶活性作为核心中介驱动了土壤源氮向TN转化，秸秆源氮对SOM库的贡献极小。 研究结论与意义 综上，本研究通过13C15N双标记技术，系统地揭示了不同外源微生物对PRe向SOM转化过程中的调控机制： 1. 真菌显著促进秸秆碳在土壤中的固定，在促进秸秆碳长期固存方面具有独特优势。 2. 微生物组合处理的“双刃剑”效应。尽管真菌-细菌复合接种能够提高秸秆转化率，但会过度消耗SOM，需要平衡促进秸秆转化与 SOM 库的保护。 3. 外源微生物对DOM形成的差异化调控。木霉属真菌加速了秸秆中可溶性有机碳、氮的早期释放。外源微生物均能促进土壤源可溶性氮释放，但对秸秆源氮的固定作用有限。 本研究为秸秆还田微生物制剂选择提供理论依据，里氏木霉在促进碳固定与维持SOM平衡方面展现出较好的应用潜力，揭示了外源微生物类型对SOM转化路径的差异性调控，为定向调控土壤碳汇功能提供了新思路。 上述研究近日以“Using 13C15N Labeling Technology to Reveal the Fate of Maize Straw in Soil Organic Matter and Dissolved Organic Matter under Different Exogenous Microorganism-Mediated Conditions”为题在线发表于Journal of Agricultural and Food Chemistry。吉林农业大学已毕业博士生（中国科学院东北地理所特别研究助理）张一枫为论文第一作者，吉林农业大学窦森教授为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金委员会项目的资助。 参考文献 [1] Zhang, Y. F., Dou, S.*, Ma, R., Ndzelu, B.S., Zhou, J. Y., Ren, C., Xia, Y. H., Wang, K. X., and Guan, S. Using 13C15N labeling technology to reveal the fate of maize straw in SOM and DOM under different exogenous microorganisms mediated conditions. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2025. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5c02157 联系作者:窦森，教授，吉林农业大学资源与环境学院，Email：dousen1959@126.com 【视点】淮北师范大学刘远团队：长期CO2升高和升温条件下微生物残体和植物木质素对稻田土壤有机碳储量的贡献 【视点】南京农业大学潘根兴教授团队：施用秸秆生物质炭提高了水稻土提取组分的分子多样性并促进植物源有机质在土壤中保护积累 【视点】福建师范大学陈祖亮教授团队：不稳定碳和矿质氮的密集输入促进土壤团聚体中有机碳的固存
“编者关注到吉林农业大学窦森教授土壤有机质团队探究发现13C15N标记技术揭示外源微生物如何改变植物残体在土壤有机质中的命运，特邀该团队为本公众号撰写了该研究的亮点部分，希望该研究成果能给关注者启发，从中获得灵感，促进天然有机质研究工作的开展。”
导读
土壤有机质（SOM）是陆地最大碳库，植物残体（PRe）是其主要碳氮来源。微生物分解PRe时，一方面通过呼吸释放CO2，另一方面将分解产物以微生物残体形式固定，形成稳定SOM。r-策略微生物偏好易降解底物、快速矿化；K-策略微生物擅长降解难降解组分、促进SOM累积。外源接种纤维素和木质素降解菌已广泛用于促进秸秆分解，尽管共代谢、氮矿化和微生物残体周转等机制已被深入研究，但不同外源微生物介导下PRe源碳氮在可溶性有机质（DOM）与SOM中的命运及分配规律仍缺乏系统量化。
▲图1 本研究的实验思路（来源：ACS）
▲图2 培养期间玉米秸秆源与土壤源碳、氮在各组分中的贡献比例(a-d)及剩余比例(e-f)。（来源：ACS）
▲图3 SOM和DOM参数的多变量分析(a-b)及微生物群落结构(c-f)与共现网络特征(g-h)。（来源：ACS）
▲图4 DOM、细菌和真菌微生物群落、酶活性、玉米秸秆源碳或氮以及土壤源碳或氮对TOC(a)和TN(b)的影响。（来源：ACS）
扩展阅读
本文编辑：谷婷婷
本文审订：何伟
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