【文献解读|有机碳质量是土壤微生物氮素固持的关键驱动因素：meta分析】

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"文献解读"专题·第13篇       

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文章信息

原名：Organic-C qualityas a key driver of microbial nitrogen immobilization in soil: A meta-analysis

译名：有机碳质量是土壤微生物氮素固持的关键驱动因素：meta分析

期刊：Geoderma

2020年影响因子：6.114

5年影响因子：6.183

发表时间：2021年2月

第一作者：Yansheng Cao

通讯作者：Tongbin Zhu, FengliangZhao

第一单位：中国热带农业科学院环境与植物保护研究所

DOI: 10.1016/j.geoderma.2020.114784

导读

提高碳(C)的生物有效性可以增强土壤微生物氮素(N)固持，但微生物氮素固持对有机质添加的响应尚不确定。本文利用51项已发表的研究数据，研究了有机物质量对微生物氮素固持的影响，计算了有机碳改良土壤中微生物氮素固持与对照处理的响应比(ln R)。总体而言，有机碳的添加使土壤微生物氮素固持显著提高了105%，有机碳类型影响微生物氮素固持对有机碳添加的响应。葡萄糖(不稳定化合物)比纤维二糖和纤维素(中间可分解化合物)更有效地促进微生物氮素固持。单宁和草酸(难降解化合物)对微生物氮素固持没有显著影响。有机物的碳氮比(C/N ratio)短期内(≤ 280d)不影响微生物氮素固持，不同C/N比的效应量(ln R₊)组间差异不显著。无机氮形态(铵态氮[NH₄⁺]或硝态氮[NO₃⁻])对微生物氮素固持对有机质添加响应的影响不显著，NH₄⁺的平均ln R₊为0.838(置信区间[CI]: 0.590-1.099)，NO₃⁻的平均ln R₊为1.642 (CI:0.951-2.452)。此外，微生物NH₄⁺固持的ln R与微生物NO₃⁻固持的ln R呈极显著正相关(P <0.01)。在实验时间上，ln R₊的下降顺序为<30d、60–120d、≥120d和30-60d。由三个碳库（即不稳定、中等和顽固性的碳库）定义的有机碳化学质量是调节微生物氮素固持对有机碳添加响应的关键因素，而不是C/N比。

材料与方法简介

根据微生物量氮、净氮固持和总氮固持对选用数据进行了分区。根据有机碳类型、有机物C/N比、无机氮形态和实验时间对这些过程进行了分类。有机C类型包括有机化合物和有机物质。根据C/N比(<25、25-50和≥50)将有机物的化学质量分为三类。有机物由不稳定物质(如葡萄糖)、中间产物(如纤维素和纤维二糖)和顽固性物质(如单宁、草酸、苯酚和木质素)组成。无机氮形态包括NH₄⁺和NO₃⁻。将实验时间分为<30d、30-60d、60-120d和≥120d四类。

本文计算了反应比(R)，即实验组的平均结果与对照组的平均结果之比，以评价添加有机C对所选变量的影响。该比例已被用于meta分析，以评估植物残体添加对各种N过程的影响。考虑到R的自然对数(ln R)受到相对于R的分子或分母变化的影响更平等，ln R在小样本中的分布比R的分布更正态，ln R被用于评价添加有机C对本meta分析中所选变量的影响。

lnR = lnX_t− lnX_c

其中X_t为有机C处理变量的均值，X_c为对照变量的均值。在本文数据集的503个观察中，有135个观察中没有报告有机C组和对照组的方差估计。Adams等(1997)开发的生态数据元分析重采样方法不需要计算标准误差，因此可以将没有标准误差或偏差的数据纳入元分析。因此，本研究采用了这些重采样方法，并使用Metawin (version2.1)软件的bootstrap重采样程序来生成平均效应量(ln R₊)和偏差校正置信区间(CIs)。当CIs不与0重叠时，有机C添加的影响被认为是显著的。CIs不重叠的平均值被认为是显著不同的。

主要结果

1、有机C类型的影响

与纤维二糖相比，葡萄糖对微生物生物量N的增加更低(图1a)。然而，净N固持则相反(图1b)。葡萄糖添加对总氮的固持没有显著影响(图1c)。有机物对微生物生物量氮或总氮固持的刺激作用没有显著差异(图1a和1c)。总体而言，葡萄糖、纤维二糖和纤维素的效应值均显著高于零，分别为1.125、0.348和0.170 (图1d)。相比之下，单宁和草酸的效应大小较低(-0.050和-0.154)。根系分泌物、堆肥、植物残体和有机肥的效应值分别为1.123、0.685、0.467和0.420，均显著高于零。所有观察到的微生物N固持的ln R₊为0.717，变异范围从-0.154到1.125。有机C的添加显著提高了土壤微生物N素固持量105%。

图1 有机C类型对微生物生物量氮、净氮固持、总氮固持以及对三个变量组合的影响。

Fig. 1. Effects oforganic-C type on microbial biomass N (a), net N immobilization (b), gross Nimmobilization (c), and the combination of the three variables (d) using themean effect size (ln R₊).

用三个初始C库(不稳定的、中间的和难降解的化合物)来定义有机C质量可以准确地描述有机物的分解速率和有机碳基质对土壤C和N的影响。葡萄糖(不稳定化合物)的添加比纤维二糖和纤维素(中间可分解化合物)会显著促进净N固持。当有机C以碳水化合物或其他易分解化合物的形式存在时，微生物对N的固持作用预计将显著增加(图4)。相比之下，当大部分有机C以顽固性化合物(如木质素和单宁)的形式存在时，C的生物利用度较低，不利于微生物N固持。中间可分解化合物对微生物氮素固持的促进作用可能介于不稳定和难降解化合物之间。

2、有机物C/N比的影响

图2a-d展示了添加不同C/N比有机物对微生物氮素固持效果的影响大小。C/N比25-50的有机物增加微生物生物量N，其ln R₊ 为0.117，低于C/N比<25的ln R₊ 0.349和C/N比≥50的ln R₊ 0.407。同样，C/N比25-50的有机物总N固持的ln R₊ (1.158)低于C/N <25 (1.206)和C/N≥50 (1.726, 图2c)。总体而言，不同组间微生物N固持的ln R₊差异不显著(图2d)。这些结果表明，微生物氮素固持对有机碳添加的响应在短期内可能不依赖于有机物的C/N比。

图2 有机物C/N比、实验时间和无机氮形态对微生物生物量氮、净氮固持、总氮素固持以及对三个变量组合的影响。

Fig. 2. Effects of organicmaterial C/N ratio, experimental period, and inorganic-N form on microbialbiomass N (a), net N immobilization (b), gross N immobilization (c), and thecombination of the three variables (d) using the mean effect size (ln R₊).

3、无机氮形态的影响

无机氮形态(NH₄⁺或NO₃⁻)对微生物氮素固持对添加有机C响应的影响如图2a-d所示。与NO₃⁻相比，NH₄⁺微生物生物量N、净N和总N固持的增幅均较低。总体而言，NH₄⁺的效应值(0.838)低于NO₃⁻的效应值(1.642)。而NH₄⁺与NO₃⁻的微生物生物量N、净N和总N固持的变化无显著差异。添加有机C后，微生物NH₄⁺固持lnR_NH4+与微生物NO₃⁻固持lnRNO₃^-的关系为：lnRNO₃^-=1.32 lnR_NH4+ +0.06 (R² = 0.48, P <0.01;图3)。

图3 微生物NO₃⁻固持的响应比的自然对数(ln R)与微生物NH₄⁺固持的ln R之间的关系。

Fig. 3. Relationshipbetween the natural logarithm of the response ratio (ln R) of microbial NO₃⁻immobilization and the ln R of microbial NH₄⁺ immobilization.

4、实验时间的影响

微生物生物量N、净N固持和总N固持的ln R₊随着实验时间从<30d增加到30-60d而降低，≥60d时增加(图2a-c)。然而，当实验时间超过120d时，总N固持的ln R₊ 再次减少。总的来说，在实验时间上，ln R₊的下降顺序为<30d、60–120d、≥120d和30-60d。

图4 三个有机C初始碳库对微生物氮素固持对有机碳添加响应的概念图。

Fig. 4. Conceptual diagramof organic-C three initial C pools on the response of microbial Nimmobilization to organic-C addition.

结论

结果表明，添加葡萄糖比添加其他有机化合物更能有效地促进微生物氮素固持。有机物质的化学性质在调节微生物氮素固持反应中起重要作用。然而，最适合预测微生物氮素固持的质量参数仍不清楚。C/N比被广泛用于定义有机质质量，但在短期内不能很好地预测微生物对氮素的固持。

本meta分析结果表明，有机物的C/N比对微生物氮素固持的影响不显著。通过比较，用三种C库(不稳定的、中间的和难降解的化合物)来定义有机物质量可以准确地描述有机物的分解速率和添加有机碳后C和N的动态变化。葡萄糖(一种不稳定的化合物)比纤维二糖和纤维素(中间化合物)对微生物N的固持有显著的促进作用，而单宁和草酸(难降解的化合物)对微生物N的固持没有促进作用，这证实了有机C需要分配到不同的库中。当有机碳主要以不稳定化合物形式存在时，微生物对氮的固持可能会增加。相反，高含量的难降解化合物可能不利于微生物氮固持。中间化合物对微生物氮固持的促进作用介于不稳定化合物和难降解化合物之间。无机氮形态对微生物氮固持对有机碳添加的响应的影响不显著，因为NH₄⁺对NO₃⁻的固持没有抑制作用。实验时间可能通过多种途径影响微生物氮素固持对有机碳添加的响应。

本研究揭示的微生物氮素固持对有机碳添加的响应可用于改进当前农业生态系统氮素管理策略。例如，改变植物残体种类可以增加微生物氮的固持，提高土壤氮供应和植物氮吸收的同步性。

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参考文献：

Cao Y , He Z , Zhu T , et al. Organic-C qualityas a key driver of microbial nitrogen immobilization in soil: Ameta-analysis[J]. Geoderma, 2021, 383:114784.