馬南，安婷婷?，張久明，汪景寬

1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土肥高效利用國家工程研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110866；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，哈爾濱 150086

0 引言

【研究意義】作物秸稈和根茬是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源。秸稈和根茬還田不僅可以增加土壤養(yǎng)分庫容，而且可以提高微生物活性，被認(rèn)為是培肥土壤的重要措施。土壤微生物利用外源有機(jī)質(zhì)合成微生物生物量，然后以微生物殘?bào)w的形式累積并穩(wěn)定固存在土壤中。微生物殘?bào)w是土壤碳源和氮源的中間過渡庫，對(duì)土壤穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)的形成具有重要的貢獻(xiàn)[1]。因此，研究秸稈和根茬還田后土壤微生物殘?bào)w碳氮的累積特征，對(duì)深入理解土壤有機(jī)質(zhì)的形成和穩(wěn)定的機(jī)制及土壤肥力提升具有重要的意義[2]。【前人研究進(jìn)展】外源有機(jī)物添加促進(jìn)了微生物殘?bào)w的積累，提高了土壤有機(jī)碳（SOC）的穩(wěn)定性[3-5]。氨基糖是土壤微生物殘?bào)w的重要標(biāo)識(shí)物。在可被定量的氨基糖中，氨基葡萄糖（GluN）主要來源于真菌幾丁質(zhì)，胞壁酸（MurA）唯一來源于細(xì)菌。由于氨基糖的相對(duì)穩(wěn)定性和異源性，其含量被認(rèn)為是微生物殘?bào)w對(duì)SOC和全氮（TN）積累和貢獻(xiàn)的可靠指標(biāo)[2]。作物秸稈和根茬的化學(xué)組成存在高度異質(zhì)性。作物秸稈一般具有較高比例的碳水化合物和較低的碳氮比，在土壤中優(yōu)先分解；根茬則含有較高比例的木質(zhì)素等難分解的化合物和較高的碳氮比，較難被微生物分解[6-7]，因此秸稈和根茬添加到土壤后可能影響微生物的分解及同化過程[8]。微生物利用小麥秸稈合成氨基糖的速度大于利用根茬，微生物殘?bào)w的形成受小麥殘?bào)w類型影響顯著[9]。玉米根茬和秸稈還田后，在分解前期添加秸稈處理較有利于微生物殘?bào)w的積累，而在培養(yǎng)結(jié)束后（第500 天）添加根茬處理微生物殘?bào)w的累積量及微生物殘?bào)w碳占SOC的比例均較高[10]。但近來有研究卻發(fā)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的有機(jī)碳（例如木質(zhì)素）在土壤中較易分解，擁有較快的周轉(zhuǎn)速率[11-12]。外源底物添加促進(jìn)了低肥棕壤真菌殘?bào)w和高肥棕壤細(xì)菌殘?bào)w的累積[10]。低碳氮比的土壤和無機(jī)氮的添加有利于微生物的合成代謝，促進(jìn)了微生物殘留物的形成和積累[13-16]。由此可見，微生物驅(qū)動(dòng)土壤中外源有機(jī)物的分解和轉(zhuǎn)化過程受外源有機(jī)物類型和土壤性質(zhì)等因素的影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】我國東北黑土區(qū)農(nóng)田土壤出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量下降、土層變薄等土壤退化問題，已引起廣泛關(guān)注。秸稈和根茬還田被認(rèn)為是黑土地區(qū)培肥土壤、作物增產(chǎn)增效的重要措施[17-19]。黑土中秸稈還田不僅促進(jìn)了真菌的生長(zhǎng)代謝，提高了表層土壤微生物量[20]，而且改善了表層和亞表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，提高了土壤的固碳潛力[18]。李麗東等[21]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高有機(jī)質(zhì)的黑土氨基糖累積數(shù)量高于低有機(jī)質(zhì)的棕壤，而且秸稈分解有利于提高低有機(jī)質(zhì)土壤的微生物生物量和底物利用效率，促進(jìn)微生物殘?bào)w的累積。黑土本身有機(jī)質(zhì)含量較高，不同肥力水平黑土微生物如何響應(yīng)不同類型外源有機(jī)物（秸稈和根茬）添加？微生物殘?bào)w碳氮對(duì)SOC和TN的貢獻(xiàn)如何？關(guān)于這個(gè)問題仍不很明確。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，本研究以東北不同肥力黑土為研究對(duì)象，結(jié)合13C和15N雙標(biāo)記方法，分析秸稈和根茬還田后外源碳氮在土壤中的累積動(dòng)態(tài)，探討不同類型外源有機(jī)物添加對(duì)不同肥力黑土微生物殘?bào)w碳氮在土壤中累積的影響，量化微生物殘?bào)w碳氮對(duì)SOC和TN的貢獻(xiàn)，以期為東北黑土地區(qū)土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定和氮庫的擴(kuò)容提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤樣品采自黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站（45°62′N, 126°27′E）。該試驗(yàn)站始建于1980年，所在地區(qū)屬于北溫帶季風(fēng)氣候，年均溫3.50℃，年均降水量533 mm，土壤類型為厚層黑土。本試驗(yàn)對(duì)兩種不同肥力土壤進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)。其中低肥土壤（LF）采自不施肥土壤；高肥土壤（HF）采自高量有機(jī)肥配施氮磷肥的土壤（年施氮肥 150 kg N·hm-2，磷肥 75.0 kg P2O5·hm-2，有機(jī)肥折合純 N為 18.6 t·hm-2）（表 1）。

表1 不同肥力土壤的基本理化性質(zhì)（2019年）Table 1 Basic characteristics of Black soil samples with different fertility levels (in 2019)

2019年9月下旬采集低肥和高肥土壤0—20 cm土層土壤樣品，新鮮土樣裝入PVC盒用冷藏箱迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除可見根茬和石塊后風(fēng)干過2 mm篩備用。

1.2 室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)

共設(shè)置6個(gè)處理：（1）高肥土壤+13C15N雙標(biāo)記玉米根茬（HF+R）；（2）高肥土壤+13C15N雙標(biāo)記玉米秸稈（HF+S）；（3）低肥土壤+13C15N雙標(biāo)記玉米根茬（LF+R）；（4）低肥土壤+13C15N雙標(biāo)記玉米秸稈（LF+S）。同時(shí)設(shè)置高肥和低肥土壤不添加秸稈和根茬的對(duì)照處理。每個(gè)處理3次重復(fù)。13C15N雙標(biāo)記玉米根茬的基本性質(zhì)：全碳 444 g·kg-1、全氮 6.14 g·kg-1、C/N 為 72.4、δ13C 值 298‰、δ15N 值 11 003 ‰；13C15N雙標(biāo)記玉米秸稈的基本性質(zhì)：全碳408 g·kg-1、全氮8.49 g·kg-1、C/N為48.0、δ13C 值 386‰、δ15N 值11 006‰。

首先將風(fēng)干土壤樣品（250 g，烘干重）避光預(yù)培養(yǎng)7 d（25℃，含水量為田間持水量的40%）。其次，分別將13C15N雙標(biāo)記的玉米根茬和秸稈（5 g，大小為2 mm）與預(yù)培養(yǎng)土壤（相當(dāng)于2%歸還量）充分混勻，調(diào)節(jié)土壤含水量至田間持水量的60%，在恒溫恒濕條件下（25℃）避光培養(yǎng)，每周按稱重法進(jìn)行補(bǔ)水。在培養(yǎng)的第 30天和 180天分別從每個(gè)處理隨機(jī)取出 3個(gè)培養(yǎng)瓶。土壤樣品自然風(fēng)干后研磨過100目篩，供分析SOC含量和δ13C值、TN含量和δ15N值、氨基糖含量。

1.3 分析方法

SOC和TN含量、δ13C和δ15N值采用元素分析儀——穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀（EA-IRMS，Elementar vario PYRO cube-IsoPrime100 Isotope Ratio Mass Spectrometer，德國）測(cè)定。

土壤中氨基糖含量采用鹽酸水解，經(jīng)純化和衍生后利用氣相色譜法測(cè)定[22]。即稱取含有0.4 mg N的土壤樣品，加入 10.0 mL HCl（6 mol·L-1），在 105 ℃下水解、過濾，加入100 μL 肌醇（內(nèi)標(biāo)1）蒸干后調(diào)節(jié)pH至6.6—6.8，離心后上清液再次蒸干，殘留物質(zhì)用無水甲醇溶解、離心后轉(zhuǎn)移到衍生瓶中，N2吹干溶液，加入1mL蒸餾水和100 μL 內(nèi)標(biāo)2（N-甲基氨基葡萄糖，MGlcN），冷凍干燥后進(jìn)行衍生，利用氣相色譜進(jìn)行測(cè)定（GC-7890B，Agilent，USA；DB-5毛細(xì)色譜柱30 m×0.25 mm×0.25 μm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

外源碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率（Fc，%）、外源氮對(duì)TN的貢獻(xiàn)率（Fn，%）的計(jì)算公式如下[23]：

公式（1）和（2）中δ13Csc（‰）和δ15Nsn（‰）分別為添加外源有機(jī)物處理SOC的δ13C值和δ15N值；δ13Cs（‰）和 δ15Ns（‰）分別為無外源有機(jī)物添加處理SOC的δ13C值和δ15N值；δ13Cc（‰）和δ15Nc（‰）分別為初始外源有機(jī)物（秸稈和根茬）的δ13C值和δ15N值。

SOC中外源碳的含量（Mc，g·kg-1）和TN中外源氮的含量（Mn，g·kg-1）的計(jì)算公式如下[24]：

公式（3）和（4）中 Cmc（g·kg-1）和 Nmc（g·kg-1）分別為添加外源有機(jī)物處理SOC和TN含量。

土壤中外源碳?xì)埩袈剩≧c，%）和外源氮?dú)埩袈剩≧n，%）的計(jì)算公式如下：

公式（5）和（6）中Cm0（g）為初始玉米秸稈和根茬的碳含量；Nm0（g）為初始玉米秸稈和根茬的氮含量。

土壤中真菌殘?bào)w碳（Fresidue-c，mg·kg-1）、細(xì)菌殘?bào)w碳（Bresidue-c，mg·kg-1）、真菌殘?bào)w氮（Fresidue-n，mg·kg-1）和細(xì)菌殘?bào)w氮（Bresidue-n，mg·kg-1）的含量根茬據(jù) LIANG等[25]所提供公式進(jìn)行估算：

公式（7）、（8）、（9）和（10）中GluN（mg·kg-1）代表真菌衍生的氨基葡萄糖，MurA（mg·kg-1）代表細(xì)菌衍生的胞壁酸；179.2和251.2分別為氨基葡萄糖和胞壁酸的分子量；假定細(xì)菌細(xì)胞中氨基葡萄糖和胞壁酸的摩爾比為2∶1[26]。轉(zhuǎn)化系數(shù)9和45分別用來將氨基葡萄糖轉(zhuǎn)化為真菌殘?bào)w碳含量和將胞壁酸轉(zhuǎn)化為細(xì)菌殘?bào)w碳含量；轉(zhuǎn)化系數(shù)1.4和6.67分別將氨基葡萄糖轉(zhuǎn)化為真菌殘?bào)w氮含量和將胞壁酸轉(zhuǎn)化為細(xì)菌殘?bào)w氮含量[25,27-28]。

利用Microsoft Office Excel 2016和SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。采用鄧肯法（Duncan）和單因素方差分析方法（one-way ANOVA）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和多重比較。顯著性水平均為0.05。采用Origin Pro 2017進(jìn)行作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果

2.1 土壤中外源碳氮的殘留率

培養(yǎng)第 30天土壤外源碳?xì)埩袈剩≧c）是第 180天的1.36—1.90倍（圖1-a）。培養(yǎng)第30天，添加秸稈處理土壤Rc較添加根茬處理增加了31.7%—44.1%；低肥土壤Rc平均比高肥土壤增加了14.8%。第180 天，添加秸稈和根茬處理Rc平均分別為36.3%和31.7%。培養(yǎng)第180天，土壤中外源氮?dú)埩袈剩≧n）受外源有機(jī)物類型和土壤肥力水平交互作用的影響顯著（P＜0.05）。添加秸稈和根茬處理Rn平均分別為95.8%和79.3%；秸稈碳和根茬碳在土壤中的平均殘留率分別為 36.3%和 31.7%，秸稈氮和根茬氮?jiǎng)t平均為 95.8%和79.3%。高肥土壤添加根茬處理Rn與低肥土壤相比增加了26.4%，然而高肥土壤添加秸稈處理Rn與低肥土壤相比降低了7.9%（圖1-b）。

圖1 不同肥力土壤中外源碳和氮的殘留率Fig.1 Percentages of exogenous carbon and nitrogen remaining in black soil with different fertility levels

2.2 外源碳氮對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)率

培養(yǎng)第30天，外源碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率（Fc）受外源有機(jī)物類型和土壤肥力水平影響顯著（P＜0.05），且添加秸稈處理Fc平均比添加根茬處理增加了26.4%（表2）。培養(yǎng)第180天，外源有機(jī)物類型、土壤肥力水平及它們的交互作用對(duì) Fc影響差異不顯著（P＞0.05）。培養(yǎng)期間，外源有機(jī)物類型和土壤肥力水平顯著影響（P＜0.05）外源氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率（Fn，表2）。培養(yǎng)第30天和第180天，添加秸稈處理 Fn平均分別比添加根茬處理增加了 42.4%和55.1%；低肥土壤添加外源有機(jī)物處理Fn平均分別比高肥土壤處理增加了19.4%和14.7%。

表2 不同肥力土壤外源碳對(duì)土壤有機(jī)碳和外源氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution percentages of exogenous carbon and nitrogen to total soil organic carbon and total soil nitrogen in different fertility levels of black soil, respectively

2.3 土壤有機(jī)碳與全氮的比值

培養(yǎng)第180天，外源有機(jī)物類型和土壤肥力水平顯著影響（P＜0.05）土壤有機(jī)碳與全氮的比值（SOC/TN）。土壤有機(jī)碳與全氮的比值在第30天為11.7—14.3，在第180天為 10.2—12.1（表 3）。培養(yǎng)第30天與第180天相比，添加根茬和秸稈處理SOC/TN平均分別下降了11.1%和14.9%；低肥土壤SOC/TN平均分別比高肥土壤增加了17.9%和11.6%。

土壤有機(jī)碳中外源碳與全氮中外源氮的比值（13C-SOC/15N-TN）受外源有機(jī)物類型的影響顯著（P＜0.05）（表3）。土壤中13C-SOC/15N-TN在第30天為 31.7—41.0，在第 180天為 16.7—32.0。第180天，添加根茬和秸稈處理13C-SOC與15N-TN的比值在平均分別為28.5和17.6，與第30天相比平均分別下降了28.2%和47.9%；高肥和低肥土壤13CSOC/15N-TN平均分別降低了38.0%和38.1%。

表3 不同肥力土壤總有機(jī)碳與全氮的比值及外源有機(jī)物來源碳氮的比值Table 3 Ratio of total organic carbon (SOC) to total nitrogen (TN) and that of SOC derived from exogenous carbon (13C-SOC) to TN derived from exogenous nitrogen (15N-TN) in different fertility levels of soils

2.4 土壤真菌、細(xì)菌殘?bào)w碳氮的含量

培養(yǎng)期間，高肥土壤真菌和細(xì)菌殘?bào)w碳含量分別是低肥土壤的1.17和1.31倍；添加秸稈處理微生物殘?bào)w（真菌和細(xì)菌）碳含量平均比添加根茬處理增加了8.5%。培養(yǎng)第180天與第30天相比，高肥和低肥土壤真菌殘?bào)w碳含量平均分別增加了 8.5%和 9.7%（圖2-a）。第180天與初始土壤（表1）相比，高肥和低肥土壤細(xì)菌殘?bào)w碳含量平均分別增加了 15.0%和31.9%（圖2-b）。第180天，高肥和低肥土壤添加玉米秸稈處理與添加根茬處理相比，真菌殘?bào)w碳含量分別增加了 7.3%和 6.1%，細(xì)菌殘?bào)w碳含量分別增加了14.3%和16.6%，高肥和低肥土壤中真菌殘?bào)w碳含量平均分別為細(xì)菌殘?bào)w碳的 3.30和3.69倍。培養(yǎng)第 180天，添加玉米秸稈處理較添加根茬處理相比真菌和細(xì)菌殘?bào)w碳含量分別平均增加了6.7%和15.6%；添加根茬和秸稈處理真菌殘?bào)w碳含量平均分別為細(xì)菌殘?bào)w碳含量的3.65和3.26倍。

真菌殘?bào)w氮和細(xì)菌殘?bào)w氮受外源有機(jī)物類型和土壤肥力水平的影響與真菌殘?bào)w碳和細(xì)菌殘?bào)w碳基本一致（圖 2）。整個(gè)培養(yǎng)期間，高肥和低肥土壤中真菌殘?bào)w氮含量平均分別為細(xì)菌殘?bào)w氮含量的3.46和3.87倍；添加根茬和秸稈處理真菌殘?bào)w氮含量平均分別為細(xì)菌殘?bào)w氮含量的3.65和3.26倍（圖2-c和2-d）。第180天與初始土壤（表1）相比，高肥和低肥土壤細(xì)菌殘?bào)w氮含量平均分別增加了 15.0%和 31.9%（圖2-d）。

圖2 不同肥力土壤中真菌、細(xì)菌殘?bào)w碳氮含量Fig.2 Contents of fungal residue-carbon and -nitrogen and those of bacterial residue-carbon and -nitrogen in different fertility levels of black soils

2.5 土壤微生物殘?bào)w碳氮對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)率

土壤肥力水平顯著影響（P＜0.05）微生物殘?bào)w碳（細(xì)菌殘?bào)w碳和真菌殘?bào)w碳）對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率（圖3）。培養(yǎng)第180天，真菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率為 33.0%—37.4%（圖 3-a），細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì) SOC的貢獻(xiàn)率為8.5%—11.7%（圖 3-b）。真菌殘?bào)w碳對(duì)高肥和低肥土壤 SOC的貢獻(xiàn)率平均分別為 37.0%和33.8%，細(xì)菌殘?bào)w碳的貢獻(xiàn)率平均分別為 11.2%和9.2%；添加秸稈和根茬的處理真菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率平均分別為 36.0%和 34.7%，細(xì)菌殘?bào)w碳的貢獻(xiàn)率平均分別為10.8%和9.6%。第180天與第30天相比，低肥土壤真菌和細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率平均分別增加了33.0%和19.1%。與初始土壤（表1）相比，第180天時(shí)高肥和低肥土壤細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率增加了 4.8%和 20.3%。高肥土壤添加根茬和秸稈處理微生物殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率與低肥土壤相比，第30天平均分別增加了24.3%和17.0%；第180天平均分別增加了13.5%和10.5%（圖3）。

圖3 不同肥力土壤中微生物殘?bào)w碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution percentage of microbial residue carbon to total soil organic carbon (SOC) in different fertility levels of black soils

培養(yǎng)第30天，真菌殘?bào)w氮和細(xì)菌殘?bào)w氮對(duì)TN的貢獻(xiàn)率平均分別為55.2%和16.3%（圖 4）。第180天，低肥和高肥土壤真菌殘?bào)w氮對(duì)TN的貢獻(xiàn)率平均分別為 63.5%和 60.5%，細(xì)菌殘?bào)w氮的貢獻(xiàn)率平均分別為 16.4%和 17.5%；高肥和低肥土壤添加秸稈處理細(xì)菌殘?bào)w氮對(duì)TN的貢獻(xiàn)率較添加根茬處理分別提高了3.2%和14.6%（圖 4-b）。培養(yǎng)180天與初始土壤相比，細(xì)菌殘?bào)w氮對(duì)高肥和低肥土壤TN的貢獻(xiàn)率平均分別增加了7.4%和32.5%。

圖4 不同肥力土壤中微生物殘?bào)w氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution percentage of microbial residue nitrogen to total nitrogen (TN) in different fertility levels of black soils

3 討論

3.1 土壤肥力水平對(duì)土壤微生物殘?bào)w碳氮累積的影響

無論是秸稈還是根茬還田后第180天，外源碳和氮的殘留率受土壤肥力的影響不明顯（P＞0.05）（圖1），這與李麗東等[21]研究結(jié)果不一致。這可能與本研究黑土本身有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)[18]，再加上恒溫恒濕的室內(nèi)培養(yǎng)環(huán)境（25 ℃和 60%田間持水量）使土壤微生物活性一直處于較高狀態(tài)，促進(jìn)了外源有機(jī)物的分解，并使其進(jìn)入了穩(wěn)定分解的階段[29]。

微生物殘?bào)w碳是 SOC庫的重要組成部分[25]，在SOC的積累和穩(wěn)定過程中起著至關(guān)重要的作用[30-31]。農(nóng)田土壤氮磷鉀肥配施顯著增加了土壤氨基糖單糖和總氨基糖的含量，促進(jìn)了微生物殘?bào)w碳在土壤中的固存[32]。有研究表明[33]有機(jī)碳含量低的土壤中微生物尤其是細(xì)菌群落對(duì)活性碳的響應(yīng)更強(qiáng)烈。與初始土壤（表1）相比，培養(yǎng)第180天低肥和高肥土壤細(xì)菌殘?bào)w碳氮含量平均分別增加了 31.9%和 15.0%，這說明肥力水平較低的土壤由于長(zhǎng)期受養(yǎng)分限制，細(xì)菌對(duì)可利用底物的響應(yīng)更為強(qiáng)烈[33]。細(xì)菌能夠快速分解底物以合成自身生物量，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)菌殘?bào)w碳氮在土壤中的累積，這與李麗東等研究結(jié)果一致[21]。本研究中土壤肥力水平顯著影響（P＜0.05）真菌和細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率和真菌殘?bào)w氮對(duì)TN的貢獻(xiàn)率，這與以往研究結(jié)果一致[3,34]。高肥土壤添加外源有機(jī)物真菌和細(xì)菌殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率大于低肥土壤，這可能是因?yàn)楦叻释寥辣旧砭哂休^高的有機(jī)碳和全氮含量及微生物量，從而促進(jìn)了微生物殘?bào)w碳累積。培養(yǎng)第180天與初始土壤（表 1）相比，高肥土壤細(xì)菌殘?bào)w碳和氮對(duì)SOC和TN的貢獻(xiàn)率分別增加了4.8%和7.4%，低肥土壤則分別增加了20.3%和32.5%（圖3），這說明外源有機(jī)物添加較有利于低肥土壤細(xì)菌殘?bào)w碳氮的積累及其對(duì)SOC和TN的貢獻(xiàn)。高肥土壤微生物的生物量和活性較高，為重新代謝微生物殘?bào)w創(chuàng)造了合適的環(huán)境，使微生物殘?bào)w碳氮在土壤中積累緩慢[35]。對(duì)于低肥土壤來說，外源底物添加激發(fā)了土壤微生物活性，且在饑餓條件下細(xì)菌群落對(duì)外源底物利用反應(yīng)比真菌迅速[33]；另外，細(xì)菌自身的碳氮比較低，對(duì)氮的需求量更高，同化碳的同時(shí)也利用了大量的氮，而且細(xì)菌殘?bào)w氮作為有效氮源，可能再次被活體微生物分解利用[36]，因此促進(jìn)低肥細(xì)菌殘?bào)w碳和氮對(duì)SOC和TN貢獻(xiàn)率的提高[37]。

3.2 外源有機(jī)物類型對(duì)土壤微生物殘?bào)w碳氮累積的影響

本研究中，隨著微生物對(duì)秸稈和根茬的分解，外源碳的殘留率逐漸減少（Rc）（圖1-a），一方面可能是由于玉米秸稈和根茬的分解導(dǎo)致SOC含量降低，另一方面可能是培養(yǎng)試驗(yàn)的前30 d是玉米秸稈和根茬的快速分解時(shí)期。在養(yǎng)分條件較好的黑土中，微生物活性最大，種類較多[29]，外源有機(jī)物中可溶性有機(jī)物被微生物快速分解，因此秸稈分解速度較快，殘留率降低；30 d后秸稈分解速度減慢，說明微生物開始分解秸稈中蛋白質(zhì)、磷脂、木質(zhì)素等難分解物質(zhì)。秸稈和根茬化學(xué)組分的差異可能是影響秸稈碳?xì)埩袈首兓闹饕騕38]。

外源底物添加的數(shù)量和類型是影響微生物過程的重要因素[39]。研究表明施入不同種類有機(jī)物料對(duì)農(nóng)田黑土微生物殘?bào)w積累數(shù)量影響顯著，同時(shí)真菌和細(xì)菌對(duì)有機(jī)物料添加的響應(yīng)不同[34,40]。本研究發(fā)現(xiàn)外源有機(jī)物類型顯著影響微生物殘?bào)w碳含量（P＜0.05）。培養(yǎng)第180天，添加玉米秸稈處理與添加根茬處理相比，真菌和細(xì)菌殘?bào)w碳含量分別平均分別增加了 6.7%和15.6%。秸稈與根茬相比具有較低的C/N和較高比例的易分解組分[6-7]，易于被微生物分解，從而促進(jìn)了微生物殘?bào)w碳尤其是細(xì)菌殘?bào)w碳在土壤中的積累[5]，增加了微生物殘?bào)w碳對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率。同時(shí)微生物殘?bào)w的“續(xù)埋效應(yīng)”可能是影響SOC穩(wěn)定積累的主要因素[41]。

作物秸稈和根茬是農(nóng)田土壤氮素的重要來源，微生物通過同化外源氮，合成微生物殘?bào)w氮，然后固存在土壤氮庫中。有研究表明[42-43]，外源氮素的添加提高了土壤微生物生物量碳和微生物殘?bào)w的積累，微生物對(duì)外源底物難降解組分的利用程度顯著影響外源氮向微生物氮的轉(zhuǎn)化。與初始土壤（表 1）相比，培養(yǎng)第 30天時(shí)添加玉米秸稈和根茬處理細(xì)菌殘?bào)w氮含量分別增加了 22.5%和 23.5%，真菌殘?bào)w氮含量分別增加了1.6%和3.0%（圖2），說明培養(yǎng)初期細(xì)菌群落較易利用外源有機(jī)物進(jìn)行自身體內(nèi)氮的合成。隨著外源有機(jī)物的分解，易分解有機(jī)物的逐漸減少，真菌具有較強(qiáng)底物同化能力[39]，容易利用難分解的有機(jī)物，因此培養(yǎng)第180天與第30天相比，真菌和細(xì)菌殘?bào)w氮含量分別增加了12.4%和3.6%。培養(yǎng)第180天與第30天相比，添加玉米秸稈和根茬處理微生物殘?bào)w氮含量平均分別增加了12.2%和2.2%（圖2-c和2-d）。玉米秸稈含氮量高于根茬，可為微生物生長(zhǎng)持續(xù)供應(yīng)所需養(yǎng)分，促進(jìn)了微生物殘?bào)w氮的累積。

4 結(jié)論

土壤肥力水平和外源有機(jī)物類型顯著影響不同微生物群落殘?bào)w碳氮在土壤中的累積。微生物殘?bào)w氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率達(dá)到一半以上，說明微生物殘?bào)w氮對(duì)土壤氮庫的擴(kuò)容起重要作用。低肥土壤添加秸稈和根茬提高了細(xì)菌殘?bào)w碳氮的累積及其對(duì)土壤有機(jī)碳和土壤全氮的貢獻(xiàn)，從而能有利于細(xì)菌殘?bào)w碳和氮向土壤有機(jī)碳庫和氮庫的轉(zhuǎn)化。玉米秸稈較玉米根茬更能促進(jìn)微生物殘?bào)w碳氮在土壤中的累積，更有利于土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定和氮庫的擴(kuò)容。