微生物化学计量比弹性调节水稻秸秆矿化及其在水稻土中的激发效应
原文题目：Microbial stoichiometric flexibility regulates rice straw mineralization and its priming effect in paddy soil
作者：Zhenke Zhu, Tida Ge, Yu Luo, Shoulong Liu, Xingliang Xu, Chengli Tong, Olga Shibistov, Georg Guggenberger, Jinshui Wu
发表期刊：Soil Biology and Biochemistry
发表时间：June 2018
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071718300762
►提出了高中低 soil available C:N:P三种情况下与胞外酶活性以及有效养分的变化和温室气体释放的整体关系，整体框架清晰明了，逻辑性强
氮(N)和磷(P)的可利用性在陆地生态系统的碳(C)循环中起着关键作用。然而，C:N:P化学计量对植物残体微生物矿化的调控及其引起的土壤激发效应（由CO2和CH4排放衡量）的影响仍不清楚。本研究中，在淹水水稻土上进行了100天培养试验，研究了土壤C:N:P化学计量比(用氮肥和磷肥的调节)对13C标记稻草矿化和随后的激发效应的影响。N和P的添加分别使稻草矿化增加了大约25%和10%。N和P同时添加则导致CO2排放增加和CH4排放降低。DOC:NH4+，DOC:Olsen P和MBC:MBN，13CO2排放指数增加到最大值。与单一秸秆添加量相比，单独添加N导致弱激发效应和CO2排放，而单独加P引起较强的激发效应和CO2排放。相比之下，原状土的有机质(SOM)的CH4排放在施加P和N+P后分别减少7.4%和46.1%。结构方程模型表明，有效N对显著地促进了土壤的激发效应，而微生物生物量化学计量比主要间接地抑制土壤的激发效应。土壤酶活性的化学计量直接减少了SOM的CH4排放。微生物通过化学计量的灵活性来调节土壤C的周转，以维持资源与微生物需求之间的元素化学计量平衡。因此，在水稻土中施用秸秆配合施氮磷，可以满足微生物的化学计量要求，调节微生物的活性和胞外酶的生产力，从而促进新生成的C和原始的SOM的共代谢作用。
稻田覆盖全世界大约1.65亿公顷，并具有巨大的潜力来扩大碳（C）的封存。利用基本化学计量成矿理论解释了养分有效性对土壤C矿化的影响，预测微生物活动是由微生物对资源的需求驱动的，其最佳C：N：P比为60：7：1。营养限制可能导致微生物从r-转变为K-策略者，后者被认为能够分解更稳定的SOM以获得有机N或P，从而导致SOM更高的矿化。水稻土生态系统经常受到人为干扰，如秸秆还田和无机肥料施用等。然而，土壤微生物通常对这一扰动具有保守的化学计量反应。因此，C、N和P的获取限制了元素个体和整体对环境变化的反应。或者，土壤微生物可能具有灵活性，可以改变其元素平衡以应对环境变化的扰动。
微生物通过三个过程调节土壤C的命运，以应对秸秆还田水稻土中的元素失衡(上图)。首先，在富碳条件下，土壤微生物通过溢流呼吸分解碳的代谢有助于保持微生物生物量C:N:P比值。秸秆还田会使土壤中的有效C与养分比更高。微生物群落可以通过改变其群落组成来改变其生物量C:N:P的化学计量比，从而对养分限制作出反应，并通过提高N和P水解酶的活性，从SOM释放出有效N和P，从而调整其分解代谢活性。13CO2的排出与DOC:NH4-N和DOC:Olsen P的比值呈指数正相关证实活性微生物对养分的高需求增加了微生物的能量消耗和碳的释放量。其次，在C限制条件下，土壤微生物利用更多的C进行合成代谢。土壤中有效元素的不平衡导致微生物产生更多分解C的水解酶从秸秆和土壤SOM中释放出DOC，以满足微生物化学计量比C的需要，并固定有效C，从而提高其生物量C:N:P。第三，对扰动的化学计量响应与资源限制的改变有着内在的联系，土壤微生物调整微生物生物量C:N:P比与资源C:N:P的比率，以维持化学计量平衡。这种动态的化学计量平衡提供了最佳的资源，以满足微生物元素化学计量的要求，促进胞外酶的产生或提高微生物的活性。因此，微生物元素的化学计量平衡导致了新鲜植物残渣和难降解的SOM的共代谢。从化学计量弹性的角度看，微生物对土壤碳周转的调节是一种资源扰动与生态系统随时间变化的反馈系统。