Nature Communications三合一 | 土壤碳输入及稳定的微生物驱动机制

点击蓝字｜关注我们

写在前面

本文是2019年A.N.Kravchenko 等发表在NC上的关于土壤碳输入及稳定机制研究的一篇佳作。田纳西大学的Glenn博士对文中的部分内容提出了质疑并作了Comments。随后本文的作者对Comments做出了Reply，现把这三篇文章一起如下呈现。

Info 

原名：Microbial spatial footprint as a driver of soil carbon stabilization

译名：微生物空间足迹是土壤碳稳定的驱动因素

期刊：Nature Communications

通讯作者：A.N.Kravchenko

通讯作者单位：密歇根州立大学

原文链接：  https://doi.org/10.1038/s41467-019-11057-4

 Introduction 

     土壤碳对土壤肥力至关重要，将大气中的CO2通过植物固定输入到土壤被认为是有效缓解全球变暖的重要途径。建立土壤C的各种土地管理措施包括减少土壤干扰、增加植物添加到土壤中的生物量、增加植物多样性和多年生植物。所有这些都针对实现C增加所需的两个关键成分:促进新的C积累和加强新积累C的物理保护。部分研究显示尽管地下碳输入量很大，且土壤没有受到干扰，但增加土壤C的速度可能较慢。这些差异表明，在驱动土壤碳积累的植物-土壤-微生物相互作用方面存在重大的知识缺口。土壤碳的获得或失去取决于土壤基质中微生物分解新碳输入和保护新碳输入之间的平衡，新碳输入可以是植物来源的化合物，也可以是微生物加工的化合物。大部分新鲜有机质输入来自植物，即地上凋落物，特别是根部，随后被微生物群落利用产生CO2和分解中间物。中间产物可以通过与土壤矿物表面形成有机矿物结合，或被困在土壤小孔中，使微生物及其外酶无法进入，从而避免进一步分解。有一个关键因素一直没有得到研究的关注:新的C需要从其进入和初始分解的微位点运输到可以保护其免于进一步分解的微位点。大多数研究都含糊地假设C加工和保护是空间配置的。我们认为分解和保护发生在土壤基质的不同微位点。在进行保护之前需要将新的C运送到保护地点，这是目前被忽视的预期C收益和已实现C收益上述差异的根本原因。此外，土壤中的运输通过孔隙进行，孔隙是气体、水、营养物质和溶解有机碳的管道，也是微生物的栖息地。

 Methods 

     实验于2008年在美国密歇根州的长期生态研究基地进行， 建立的5个生物种植系统，以代表植物生物多样性的梯度。即免耕连作玉米、免耕连作玉米加麦草覆盖、单作柳枝稷、林下草本覆盖的杂交杨树林以及2008年弃耕的早期演替群落。测定了TC、CO2、MBC、土壤重量含水率、根生物量。利用原位酶学方法，研究了与碳、氮、磷循环有关的6种胞外酶的微观空间分布格局。然后，结合二维酶谱和三维CT扫描信息，反映酶活性上的微生物底物利用与土壤孔隙丰度之间的关联。为了评估添加新的养分对土壤孔隙和酶活性之间关系的影响，作者在在10个研究土芯中进行了新鲜植物的培养。然后，如前所述，在表面进行酶谱测量。

 Results 

1. 耕作制度对土壤碳累积量和土壤孔隙的影响

     在5种种植制度中，只有杨树和自然演替这两种植物多样性较高的导致了较高的土壤总C水平(图1a)。柳枝稷样地的微生物生物量C显著高于玉米连作，与杨树和本地演替系统无显著差异(图1a)。柳枝稷和自然演替两种多年生草本植物的地下初级生产力在2009年试验开始时基本一致;然而，3~4年后，单作柳枝稷比自然演替多了10~20倍(图1b)。

     作者评估了接近≥30μm孔隙(图2a)的土壤基质体积，即距离孔隙边界180μm范围内的土壤基质体积。180μm距离作为可能受孔隙内过程影响的土壤体积的近似指标，其值与类似实验尺度下土壤基质中微生物和碳分布的空间格局一致。与杨树和自然演替土壤相比，玉米连作和柳枝稷的土壤基质在这些孔隙附近的比例要小得多(图3)。在自然演替和杨树系统中，靠近孔隙的土壤基质所占比例分别比柳枝稷高51%和67%。杨树总孔隙度和自然演替系统明显不同于其他的(图3)。

2. 酶活性与土壤孔隙的关系

     与玉米连作和柳枝稷相比，杨树和自然演替系统中酶活性与土壤孔隙的空间关联存在较大差异(图4a)。土壤酶活性在<30μm孔和30~150μm孔的自然演替系统中基本一致，而在杨树中，气孔直径<30μm的活性高于气孔直径为30~150μm的区域。相比之下，在玉米和柳枝稷中，气孔<30μm区域的酶活性明显低于气孔30~150μm区域。

3. 添加新鲜碳水化合物后土壤酶活性和孔隙率

     为了验证作者的假设，即30~150μm孔内的活跃微生物群落能够处理新鲜的C输入。在土芯与新鲜凋落物培养后进行了酶谱测量。与没有新鲜C的土壤相比，有新鲜凋落物的土壤在酶活性和土壤孔隙之间的空间关联上表现出更明显的对比(图4b)。鲜C的添加使酶活性增加，尤其是在30~150μm孔的区域，相对于小孔较多的区域，酶活性增加。

 Comments 

通讯作者：Melanie M. Glenn

通讯作者单位：田纳西大学

原文链接：  https://doi.org/10.1038/s41467-020-19900-9

     Kravchenko等认为，植物诱导的土壤孔隙形成是土壤固碳速率的主要决定因素，不同植物群落有利于30~150 μm孔隙的发育，这种大小范围的孔隙具有较高的酶活性，从而提高了固碳速率。然而，这些因果结论并没有被实施的数据和研究设计所支持。这意味着该研究更清楚地描述了土地利用对各种生态系统的影响及其与土壤微生物空间足迹的关系，而不是作者所说的直接因果关系。     首先，Kravchenko等的研究认为30~150μm孔隙中含有最活跃的微生物群落，这导致了较高的C处理和截留率。然而，这只适用于单一栽培系统，不适用于两个生物多样性高的生态系统。生物多样性高的植被系统(杨树和自然演替系统)的30~150μm孔隙数最高，酶活性最高。然而，Kravchenko等人在图4a中的数据与这一结论相斥。在不同的原生生态系统中，酶活性在30~150μm孔周围的分布比在单一栽培生态系统中少。这表明数据和得出的结论之间存在显著差异。     其次，作者还得出结论，多样性较高的植物群落有利于 30~150μm 孔隙的发育。然而，由于使用非实验设计，由于未控制变量，不能得出这样的因果结论。具体地说，这些气孔的存在并不是植物群落的异质性所特有的。虽然根系生长确实是孔隙发育的一种方式，但还有其他主要因素影响土壤孔隙度:水和生物群通过基质的运动、有机质和矿物含量、表层和次表层的深度、化学反应、历史管理实践等。这些特性在不同的研究生态系统中可能有很大的差异，即使在相似的气候和地形中也是如此。在得出植物群落多样性对孔隙发育影响的结论之前，有必要确定这些因素的影响程度。作者既不控制也不测量整个系统的过程和属性，所以只有关于关联的结论，而不是影响的结论是有根据的。该研究对土地利用对各种生态系统的影响及其与土壤微生物空间足迹的关系有了较为清晰的认识。     Glenn提出了一个更谨慎的替换结论:生态系统生物多样性、微生物生物量、土壤碳分配、孔隙度和孔外酶活性等因子之间存在一定的相关性，其中杨树30μm孔隙周围土壤酶活性最高，单作30~150μm孔隙周围土壤酶活性最高。     同时该研究也具有诸多亮点，包括将X射线微断层扫描用于孔隙测绘与酶空间分布测绘相结合的技术成就，在5个不同系统中追踪土壤属性的9年时间，优秀的取样和方法，先进的统计分析，并对新鲜营养输入的孵化部分进行了实验设计。尽管如此，由于上述原因，30~150μm孔隙在不同植物群落中具有更大的土壤碳存储能力这一初步结论并不能作为土壤保护和再生农业方法的依据。

 Reply

原文链接：  https://doi.org/10.1038/s41467-020-19901-8

     关于Glenn首先关注的是原始论文图4a所示的数据。给出的结果不是酶活性的绝对值，而是在每个土壤芯的每个酶谱图上标准化的相对活性。每个个体完全酶谱图的平均活性被设为零。因此，所有植被系统在所有孔径下的平均值也为零，因此根据图4a的数据，任何关于哪个植被系统酶活性更高/更低的一般性声明都是无意义的。标准化是必要的，以探索与特定大小的孔隙相关的酶活性的分布。使用这些数据进行的唯一有意义的比较是在单个系统内的孔隙组之间的比较，这就是研究报告中的内容。从这个角度看，较低的值意味着特定孔径组的酶活性接近总体平均值。正数表示上述平均值与某些孔隙组有关，负数则低于平均值。     柳枝稷中高于平均水平的酶活性与大孔的关联，而在生物多样性系统中没有关联，这构成了我们主要结论的基础。不是微生物活性的总体差异(柳枝稷和生物多样性系统的微生物活性同样高(原文图1a)，也不是酶活性的总体差异(原文补充图4)，但是酶活性的空间分布模式的奇妙差异导致了我们的结论。     我们的实验结果与不同大小的孔隙在土壤功能中的作用的机理理解相一致。虽然在原稿中已经讨论过，但在这里我们进一步阐明了它们之间的关系(图1)。极小的空隙（直径＜1 μm)对微生物活动的贡献很小，因为它们的大小限制，土壤微生物无法到达。由于缺乏大分子酶的扩散，细胞外酶的流入几乎可以忽略不计。细孔中含有大量的水，但基质势高，无法获得;而它们的氧气供应有限(图1)。然而，这些孔隙对于有机分子的储存是极好的，可以通过空间排除进行掩埋和长期碳封存。虽然1-10 μm 直径尺寸范围的孔隙可以容纳单个微生物，但它们不能为微生物菌落提供足够的空间，因此微生物活性低就不足为奇了。对于碳和氮循环至关重要的微生物菌落可以在直径至少几十微米的孔隙内生存。相同的孔被产生最大根沉积的幼细根占据。这些孔隙中的水供给是最佳的，氧气是无限的。以细菌和真菌为食的土壤动物很容易接触到直径为几百微米的孔隙。此外，这些孔隙往往排水较好和干燥得最快，缩短了微生物活动的最佳周期。     低多样性系统土壤30~150μm孔隙中酶活性升高的趋势与此大小范围的孔隙构成微生物菌落的最佳栖息地的认知相一致。通过根际沉淀与水涌入保证了丰富的营养供给,空气和水之间的最优平衡平衡,以及较少的捕食者。因此，这部分孔隙的微生物密度很高，因此酶活性也很高。最后但并非最不重要的是，生长在这些孔中的非常细的根是胞外酶释放的另一个重要来源。     在不同的植物系统中，这种孔的高丰度、连通性和广泛分布的土壤基质导致了微生物、细根和酶的普遍存在。而在低多样性系统中，这样的孔不是那么普遍和稀疏的位置，它们对微生物活性和合成酶模式的积极贡献是明显的。     Glenn博士关注的第二个问题是，观察到的土壤属性差异不能归因于植物多样性，而是由其他来源产生的，比如固有土壤特征的差异、动物和地下水运动的差异，以及历史管理的差异。如原论文所述，我们现场研究的实验设计是随机完整块，有5个重复。在2007年研究开始时，为了尽量减少固有土壤和地形特征的空间变异模式，设计了样方，并在每个样方内随机分配了植物系统处理。因此，可以得出结论，土壤特性的发育差异是由植物系统效应引起的，其中植物多样性是最显著的特征。事实上，本研究中唯一可以产生疑问的解释变量是植物系统/植物多样性。由于随机处理分配的重复封闭试验设计，其他内在因素(矿物含量、表层和地下层深度、历史管理实践)的影响可以被认为是同等地影响所有研究的植物系统。     我们深刻的认识到，仅仅得出植物多样性导致土壤孔隙特征差异的结论是不够的。植物多样性通过各种物理、化学和生物控制手段对土壤孔隙结构产生影响。它影响土壤有机质水平、土壤碳输入质量、大型、中型动物及其运动。这些因素很可能是植物多样性差异造成土壤孔隙大小分布和酶定位模式差异的关键因素。未来研究的重点是确定不同植物群落中形成土壤孔隙结构的驱动因素。虽然我们可以推测未控制变量的潜在贡献，但从我们的研究中唯一科学可靠的结论是，不同多样性水平的植物系统造成了观察到的差异。

 Conclusion 

综上所述，30~150µm的孔隙含有最活跃的微生物，能够对新鲜的碳输入做出快速反应，从而增加了微生物量。这些微生物的产物是土壤有机质积累的重要贡献者。微生物产物移动到邻近的土壤基质中，它们就会通过各种物理化学机制稳定在那里。30~150µm孔隙的存在及其在土壤中的分布越大，土壤基质接收和保护微生物分解产物的体积就越大，随后土壤碳的累积量就越高。本研究结果指出了迄今为止在理解植物-土壤-微生物相互作用方面所缺失的一环。植物群落组成不仅定义了土壤微生物群落的组成，而且通过影响土壤孔隙的存在和特征，定义了微生物最有效驻留的区域的空间分布格局，并发挥了与碳周转和固存相关的作用。这种模式定义了微生物可以在周围土壤基质上留下的空间足迹。

相关热门文章

扫描二维码｜关注我们

[e-mail]

喜欢就转发、收藏、点赞、点在看，侵权告删！