曹鑫鑫，劉麗君，查麗霞，盧溆陽，常 坤，徐英德*

（1 沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧沈陽 110866；2 營口市農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合發(fā)展服務中心，遼寧營口 115003）

土壤凍融作用是由于季節(jié)或者晝夜熱量的變化，在表土及以下一定深度產(chǎn)生的反復凍結(jié)和解凍的過程，即“晝?nèi)谝箖觥钡默F(xiàn)象，易發(fā)生在中、高緯度及高海拔地區(qū)，全球超過70%的陸地易受凍融作用的影響[1]。東北黑土區(qū)是我國糧食生產(chǎn)的壓艙石，在保障我國糧食安全方面發(fā)揮著極為重要的作用[2]。該地區(qū)冬季時間長、氣溫低且降水量少，冬季土壤的凍結(jié)厚度較深(1.1～2.0 m)且持續(xù)時間很長(150天以上)[3]。而到春季后，晝夜溫差較大，季節(jié)性凍融相當明顯。凍融作用是影響土壤碳的生物地球化學循環(huán)過程的關鍵因素之一，探究凍融作用介導下的土壤有機碳周轉(zhuǎn)過程，對深入理解東北黑土區(qū)土壤生態(tài)過程具有重要意義。

凍融作用主要通過影響土壤的物理、化學及生物學性質(zhì)而對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生影響。它能夠通過破壞土壤團聚體結(jié)構(gòu)和微生物區(qū)系等途徑促進土壤呼吸，進而直接影響到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支[4–5]。此外，土壤由凍結(jié)變?yōu)槿诨瘯r，部分死亡的微生物會溶解并釋放出細胞內(nèi)所含有的有機質(zhì)，增加了土壤可溶性碳含量，也會促進土壤有機碳的礦化[6–9]。但值得關注的是，微生物作為土壤有機碳循環(huán)的引擎，在參與有機碳分解的同時，自身也會以微生物殘體的形式在土壤中累積，從而促進碳的固定并影響土壤碳庫的平衡[10]。因此，凍融作用雖然會在一定程度上增加土壤微生物死亡的比例[11]，但同時也可能對微生物源有機碳在土壤中的形成和累積產(chǎn)生遺留效應，這對于土壤碳庫的長期截獲具有重要作用。目前，微生物殘體對土壤穩(wěn)定有機碳的重要貢獻已受到廣泛關注，即隨著微生物繁殖—生長—死亡的迭代過程，有機碳被微生物不斷同化，并以微生物死亡殘體和代謝產(chǎn)物的形式在土壤中持續(xù)累積，從而貢獻于土壤有機碳固定[12]。越來越多的證據(jù)表明，微生物殘體碳是土壤穩(wěn)定碳庫的主要組成部分[10, 12]。因此，深入探究凍融作用影響下的微生物殘體碳累積特征及動態(tài)成為亟待解決的科學問題。此外，作物秸稈還田是農(nóng)田土壤有機碳補充和更新的重要來源，也是實現(xiàn)聯(lián)合國氣候變化公約“千分之四”增碳計劃的潛在方法[13–14]。作物秸稈能夠為微生物活動提供養(yǎng)分和能源，從而調(diào)控微生物的群落結(jié)構(gòu)及代謝過程[15]，這勢必會影響到微生物殘體碳的產(chǎn)生和累積。然而，在凍融作用的干擾下，土壤不同類群微生物殘體碳累積動態(tài)對作物秸稈輸入的響應過程尚不明確。

本研究以典型農(nóng)田黑土為研究對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)方法，采用微生物細胞壁來源的氨基糖作為微生物殘體的標識物，研究在凍融作用的干擾下，土壤真菌和細菌殘體碳的累積特征及其對玉米秸稈輸入的響應，解析微生物殘體碳對土壤有機碳的貢獻，以期加深對凍融作用下土壤有機碳循環(huán)過程和微生物調(diào)控機理的認知，并為東北黑土區(qū)土壤肥力提升提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自黑龍江省海倫市(126°38′E，47°26′N)。該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年均溫1.5℃，年均降水量550 mm。該地區(qū)土壤為發(fā)育于黃土母質(zhì)的典型黑土，種植作物為玉米，產(chǎn)量水平在8.1 t/hm2。于冬季凍結(jié)前采集0—20 cm土壤樣品，隨機散點取樣并混合后，將新鮮土樣保存于低溫條件下迅速帶回實驗室，用鑷子剔除可見根系、石塊等雜物，混勻后過4 mm篩，備用。供試土壤和玉米秸稈基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤和玉米秸稈基礎理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of test soil and corn straw

1.2 試驗設計

采用室內(nèi)模擬凍融培養(yǎng)法。以取樣點近五年初春凍融時期的月平均高溫(5℃)作為土壤融凍溫度，三月下旬與四月上旬各半月平均低溫作為土壤凍結(jié)溫度(?4℃、?9℃)，組成兩個融凍溫度/凍結(jié)溫度組合處理：弱凍融(融凍溫度/凍結(jié)溫度為5℃/?4℃)、強凍融(融凍溫度/凍結(jié)溫度為5℃/?9℃)，將沒有凍結(jié)溫度處理作為對照(5℃)；各溫度組合下分別設置添加玉米秸稈(S處理)和不添加玉米秸稈(CK)處理，共計6個處理。

具體室內(nèi)培養(yǎng)方法如下：稱取100 g風干土樣，置于250 mL聚氯乙烯塑料瓶中，調(diào)節(jié)含水量至20%，用Parafilm封口膜封口并用針扎幾個小孔，放入5℃恒溫培養(yǎng)箱預培養(yǎng)30天。預培養(yǎng)結(jié)束后向設計為添加玉米秸稈處理的土壤中均勻摻入粉碎的玉米秸稈5.8 mg/g。由于玉米秸稈C/N較高，其腐解過程易受氮素限制，因此，以硫酸銨溶液調(diào)節(jié)其C/N值到25～30；同時，設計為不添加玉米秸稈的CK處理也加入等量硫酸銨溶液。用蒸餾水將每個塑料瓶中土壤含水量調(diào)節(jié)到28%后封口。先將進行凍融的土壤樣品在5℃條件下培養(yǎng)24 h，隨后逐漸降溫，在?4℃或?9℃條件下凍結(jié)48 h，溫度再逐漸上升，達到5℃后消融24 h，以此為一個凍融循環(huán)(4天)。不進行凍融的處理則始終置于5℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中根據(jù)重量法定期調(diào)節(jié)土壤含水量。在試驗開始后第0、3、8、12和16次凍融循環(huán)(即試驗開始后第1、13、33、49和65天)進行土壤樣品采集，將土壤樣品風干后用于土壤有機碳及氨基糖含量測定。

1.3 測定方法

土壤有機碳和全氮含量通過元素分析儀(VARIO EL Ⅲ，德國)測定；土壤全磷含量采用HClO4–H2SO4消化，鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀含量采用NaOH熔融法測定；土壤有效氮含量采用堿解擴散法測定；土壤有效磷含量采用Olsen法[16]測定；土壤速效鉀含量采用乙酸銨提取—火焰光度計測定；土壤pH通過電極法(雷磁PHS-3B，上海)測定(土水比1∶2.5)。

土壤氨基糖含量采用Zhang等[17]提供的方法進行測定，簡要步驟如下：稱取含0.4 mg氮的風干土置于水解瓶中，加入 10 mL 6 mol/L HCl后水解 8 h。待冷卻至室溫后加入100 μL肌醇(內(nèi)標1)，振蕩搖勻后過濾至心形瓶，在52℃真空狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)蒸干。加入少量水將殘余物溶解并轉(zhuǎn)移至50 mL離心管，用KOH和稀HCl調(diào)節(jié)溶液pH至6.6～6.8。然后將離心管在3000 r/min條件下離心10 min，將上清液轉(zhuǎn)移至5 mL衍生瓶并在45℃下用氮氣吹干，干燥后溶解至 1 mL 水和 100 μL N-甲基氨基葡萄糖 (內(nèi)標2)，用Parafilm封口膜扎緊后冷凍干燥8 h。另取3個5 mL的衍生瓶作為標準樣品，均加入100 μL胞壁酸，氮氣吹干后加入100 μL氨基糖混合標準液[D-(+)-氨基葡萄糖、D-(+)-氨基半乳糖、D-(+)-甘露糖胺]、100 μL 肌醇、100 μL N-甲基氨基葡萄糖和1 mL水，封口后同樣進行冷凍干燥。向干燥后的衍生瓶中加入300 μL衍生試劑，渦旋后置于80℃水浴鍋中加熱30 min，待冷卻后，加入1 mL乙酸酐，再次渦旋后在80℃水浴鍋中加熱1 h，冷卻后向各衍生瓶加入1.5 mL二氯甲烷，擰緊瓶蓋渦旋30 s，用移液槍移出上層無機相。以相同方式，用蒸餾水(每次1 mL)進行有機相的提取，最后一次把水徹底去除。將衍生瓶剩余物質(zhì)在45℃下用氮氣吹干，用200 μL乙酸乙酯-正己烷混合液溶解干燥物并轉(zhuǎn)入帶有襯管的氣相色譜瓶中。通過配有HP-5氣相色譜毛細管柱 (30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)的氣相色譜儀(Agilent Technologies，美國)進行氨基糖檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

土壤中真菌殘體碳 (fungal residue carbon，F(xiàn)residue-C，g/kg)和細菌殘體碳 (bacterial residue carbon，Bresidue-C，g/kg)含量根據(jù) van Groenigen 等[18]和 Liang 等[19]提供的公式進行估算：

式中，179.2和251.2分別為氨基葡萄糖(GluN)和胞壁酸(MurA)的分子量；系數(shù)2假定細菌細胞中氨基葡萄糖和胞壁酸的摩爾比為2∶1[20]。轉(zhuǎn)化系數(shù)9用來將氨基葡萄糖轉(zhuǎn)化為真菌殘體碳含量，轉(zhuǎn)化系數(shù)45用來將胞壁酸轉(zhuǎn)化為細菌殘體碳含量[18–19]。真菌殘體碳和細菌殘體碳含量的總和視為總微生物殘體碳含量 (total microbial residue carbon，TMresidue-C)[19]。

本研究中的數(shù)據(jù)以3個重復的平均值及其標準誤差表示，試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進行方差分析。添加秸稈與不添加秸稈處理間的差異顯著性通過配對樣本t檢驗進行分析；不同凍融強度間的差異顯著性用Duncan法進行多重比較，P<0.05為差異顯著。圖表的繪制采用Origin 2018軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物殘體碳的動態(tài)變化

凍融強度和玉米秸稈均對微生物殘體碳含量產(chǎn)生明顯影響(圖1)。不添加秸稈條件下，強凍融處理的總微生物殘體碳和真菌殘體碳含量在第3～12次循環(huán)顯著高于恒溫培養(yǎng)處理 (P<0.05)；而在試驗結(jié)束(第16次循環(huán))時，強凍融和弱凍融處理中總微生物殘體碳和真菌殘體碳含量卻低于恒溫培養(yǎng)處理，且以強凍融處理差異更為顯著(P<0.05)。此外，在恒溫培養(yǎng)和弱凍融條件下，在第3、8和12次循環(huán)總微生物殘體碳和真菌殘體碳含量均在添加秸稈處理中更高，但在第16次循環(huán)，添加秸稈均顯著降低了總微生物殘體碳和真菌殘體碳含量(P<0.05)；對于強凍融處理，添加秸稈在第3和12次循環(huán)均不同程度降低了總微生物殘體碳和真菌殘體碳含量，但在第16次循環(huán)，添加秸稈顯著增加了總微生物殘體碳含量(P<0.05)。同時，在添加秸稈條件下，除第8次凍融循環(huán)外，強凍融處理中土壤總微生物殘體碳和真菌殘體碳含量均低于恒溫培養(yǎng)和弱凍融處理。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下土壤微生物殘體碳含量的變化Fig. 1 Changes of soil microbial residue carbon contents under different freezing and thawing cycles

在不添加秸稈條件下，強凍融處理中細菌殘體碳含量在第3和第8次凍融循環(huán)明顯高于恒溫培養(yǎng)(P<0.05)和弱凍融處理；而在第16次循環(huán)，不同凍融強度下細菌殘體碳含量順序為恒溫培養(yǎng)(4.3 g/kg)>弱凍融(4.2 g/kg)>強凍融(3.6 g/kg)。此外，在恒溫培養(yǎng)和弱凍融條件下，在培養(yǎng)前期(第3、8和12次循環(huán))土壤細菌殘體碳含量均在添加秸稈處理中更高，但在試驗結(jié)束時，添加秸稈顯著降低了細菌殘體碳含量(P<0.05)；在強凍融條件下，添加秸稈在第3次循環(huán)降低了細菌殘體碳含量(P<0.05)，但在試驗結(jié)束時顯著增加了細菌殘體碳含量(P<0.05)。同時，在添加秸稈條件下，凍融強度總體上未對細菌殘體碳含量產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)。

2.2 不同凍融循環(huán)次數(shù)對土壤真菌與細菌殘體碳比值(F/B)的影響

由圖2可知，土壤真菌殘體碳含量平均是細菌殘體碳的2.4倍。在不添加秸稈條件下，強凍融處理在第3次凍融循環(huán)F/B值最低(P<0.05)；而在第12次和第16次凍融循環(huán)，恒溫培養(yǎng)處理F/B值最低(P<0.05)。此外，在恒溫培養(yǎng)和弱凍融條件下，添加秸稈在前期(第3次和第8次凍融循環(huán))降低了F/B值，在后期(第12次和第16次凍融循環(huán))則不同程度增加了F/B值；而在強凍融條件下，添加秸稈則在第12和16次凍融循環(huán)明顯降低了F/B值(P<0.05)。同時，在添加秸稈的處理中，凍融強度并未在前8次循環(huán)中對F/B值產(chǎn)生明顯影響；而在試驗結(jié)束時，弱凍融和強凍融處理中F/B值分別比恒溫處理降低7.5%和7.7%。

圖2 不同凍融循環(huán)下土壤真菌與細菌殘體碳比值(F/B)的變化Fig. 2 Dynamics of the residue carbon ratios of fungal to bacterial (F/B) under freezing and thawing cycles

2.3 微生物殘體碳對土壤有機碳的貢獻

在整個試驗過程中，不同處理中總微生物殘體碳(TMresidue-C/SOC)、真菌殘體碳(Fresidue-C/SOC)和細菌殘體碳(Bresidue-C/SOC)對土壤有機碳的貢獻分別為44.7%～52.0%、30.8%～37.6%和12.6%～15.1%(圖3)。凍融強度和玉米秸稈不同程度地改變了微生物殘體碳的貢獻率，且TMresidue-C/SOC與Fresidue-C/SOC變化趨勢一致。在恒溫培養(yǎng)和弱凍融條件下的前12次凍融循環(huán)，添加秸稈與不添加秸稈處理之間的TMresidue-C/SOC和Fresidue-C/SOC未表現(xiàn)出一致的規(guī)律，而在試驗結(jié)束時，添加秸稈明顯降低了TMresidue-C/SOC和Fresidue-C/SOC (P<0.05)。在強凍融條件下，添加秸稈處理在前期的TMresidue-C/SOC和Fresidue-C/SOC顯著低于無秸稈處理，而第16個循環(huán)時不同秸稈處理間差異不明顯(P>0.05)。同時，在不添加秸稈條件下，強凍融處理中TMresidue-C/SOC和Fresidue-C/SOC在第3次和第12次循環(huán)顯著高于恒溫培養(yǎng)和弱凍融處理(P<0.05)，但在第16次循環(huán)，強凍融處理中TMresidue-C/SOC和Fresidue-C/SOC顯著低于恒溫培養(yǎng)和弱凍融處理(P<0.05)。在添加秸稈條件下，凍融強度對TMresidue-C/SOC和Fresidue-C/SOC的影響未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

圖3 不同凍融循環(huán)下微生物殘體碳對土壤有機碳的貢獻Fig. 3 Contribution of the microbial residue carbon to soil organic carbon under freezing and thawing cycles

此外，在第3和8次凍融循環(huán)，添加秸稈促進了恒溫培養(yǎng)和弱凍融處理中的Bresidue-C/SOC，但在第12和16次循環(huán)，秸稈輸入減少了恒溫培養(yǎng)和弱凍融處理中的Bresidue-C/SOC；在強凍融處理中，添加秸稈在試驗結(jié)束時對Bresidue-C/SOC影響不顯著(P>0.05)。同時，在不添加秸稈條件下，強凍融處理中Bresidue-C/SOC在第3次和第12次凍融循環(huán)顯著高于恒溫培養(yǎng)和弱凍融處理(P<0.05)，但在第16次凍融循環(huán)，強凍融處理中Bresidue-C/SOC顯著低于恒溫培養(yǎng)和弱凍融處理(P<0.05)；在添加秸稈條件下，凍融強度對Bresidue-C/SOC的影響未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，且在試驗結(jié)束時不同凍融強度間差異不明顯(P>0.05)。

3 討論

3.1 不同微生物殘體碳在土壤中的累積

有些研究表明，微生物殘體碳能夠在土壤中保持相對穩(wěn)定[21–22]，但本研究發(fā)現(xiàn)在凍融和添加玉米秸稈的情況下，土壤真菌和細菌殘體碳含量均出現(xiàn)了較明顯的波動(圖1)，證明微生物源氨基糖并不是完全惰性的，同樣也會積極的參與到土壤碳周轉(zhuǎn)過程中。尤其是存在外界干擾(如土壤環(huán)境的改變或人為措施的影響)的情況下，微生物殘體碳動力學過程會發(fā)生明顯變化。因此，微生物殘體碳在土壤中的最終累積情況取決于其合成與分解過程之間的平衡。

在不添加秸稈的處理中，不同凍融強度對土壤微生物殘體碳累積產(chǎn)生了差異化的影響(圖1)。其中，在強凍融條件下，土壤真菌和細菌殘體碳累積量在培養(yǎng)前期出現(xiàn)不同程度增加，說明凍融作用促進了土壤微生物繁殖—生長—死亡的迭代過程，微生物合成代謝占據(jù)優(yōu)勢地位，從而使微生物細胞組分逐漸以殘體的形式在土壤中累積。有研究顯示，凍融作用能使土壤團聚體破碎，從而促進可溶性有機碳和礦質(zhì)養(yǎng)分的釋放[6]，這些均可作為土壤微生物生長的碳源和養(yǎng)分來源。雖然很多研究表明凍融作用在初期會促進CO2的釋放[4–5]，但本研究發(fā)現(xiàn)微生物在將更多的有機碳用于分解代謝的同時，也增加了合成代謝的效率，從而促進了微生物源有機碳在土壤中的累積。因此，需要辯證地看待微生物在土壤有機碳形成和損失之間的權(quán)衡作用，并深入探究二者之間的相對比例關系。此外，在試驗結(jié)束時，凍融作用降低了土壤真菌和細菌殘體碳的含量，尤其是強凍融作用降低效果更明顯，說明凍融作用對微生物殘體累積的優(yōu)勢作用并不會一直持續(xù)。該結(jié)果產(chǎn)生的原因可能是凍融作用所釋放出的碳源和養(yǎng)分對微生物的促進作用，并不足以抵消土壤溫度等環(huán)境因子對微生物活性產(chǎn)生的消極作用；同時，凍融作用對土壤結(jié)構(gòu)的破壞會使部分賦存于團聚體中的微生物殘體暴露出來，從而使它們更易于被微生物接觸并降解。此外，本研究結(jié)果顯示，強凍融處理對微生物殘體碳含量的影響更大，證明凍融強度是調(diào)控土壤微生物源碳循環(huán)過程的重要因素。在較弱的凍融作用下，土壤及自身的微生物群落可以在一定程度上適應外界溫度及水分條件的變化；而在晝夜溫差更大的地區(qū)或季節(jié)，強凍融則會對微生物殘體碳的累積產(chǎn)生較大影響，進而影響到整個土壤碳生物地球化學循環(huán)過程。

在恒溫培養(yǎng)和弱凍融條件下，添加秸稈在試驗前期促進了真菌和細菌殘體碳的累積(圖1)；但在第16次循環(huán)時，添加秸稈顯著降低了真菌和細菌殘體碳含量。玉米秸稈在土壤中腐解的過程中，糖類和氨基酸等活性較高的含碳有機組分會優(yōu)先釋放出來，并成為微生物的可利用基質(zhì)，刺激微生物的活性并促進微生物殘體的產(chǎn)生[23–24]。但在本研究這種較低的溫度環(huán)境條件下，玉米秸稈的腐解可能比常溫(25℃)條件下更快進入緩慢分解階段[25]。有研究顯示，作物秸稈在腐解初期會促進微生物殘體生成，但一段時間后會對原有微生物源碳產(chǎn)生明顯的正激發(fā)效應；同時，在土壤中大量累積的植物源碳也會和微生物源碳競爭部分“固碳位點”[24]。此外，還有報道指出，微生物殘體的不斷積累會導致降解它們的微生物類群達到峰值[26]，這些發(fā)現(xiàn)解釋了本研究中玉米秸稈在試驗結(jié)束時降低微生物殘體碳的現(xiàn)象。對于強凍融處理，添加秸稈在試驗前期不同程度降低了土壤真菌和細菌殘體碳含量，而在試驗結(jié)束時增加了細菌殘體碳含量，該現(xiàn)象可能是由于冷凍脅迫和不同微生物對底物的競爭造成的微生物群落變化所引起的[27]。有研究顯示，在高強度凍融條件下細菌會通過調(diào)整自身群落而比真菌更有利于競爭外源底物，從而保持生物量的相對穩(wěn)定[27–28]，這有利于維持細菌殘體碳水平，而玉米秸稈的存在進一步促進了細菌殘體碳含量的提升。該結(jié)果說明外源有機質(zhì)的添加能夠在一定程度上抵消凍融作用對細菌殘體碳累積的不利影響。

3.2 真菌殘體碳和細菌殘體碳的相對比例及其對土壤有機碳的貢獻

在本試驗中，真菌殘體碳含量平均為細菌殘體碳的2.4倍(圖2)，且總微生物殘體碳變化趨勢與真菌殘體碳一致，說明真菌殘體碳是土壤微生物源碳庫的主要貢獻者。造成該現(xiàn)象的原因是真菌細胞聚合物相對穩(wěn)定，而細菌細胞壁較薄，在土壤中更易被微生物分解，從而擁有更快的周轉(zhuǎn)速率[24, 29]。因此，真菌殘體碳對土壤穩(wěn)定有機碳庫的形成具有更重要的意義。

在本研究中，F(xiàn)/B值的變化暗示出土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能的變化。不添加秸稈條件下，強凍融處理在第3次循環(huán)F/B值最低，而在第12次和第16次循環(huán)F/B值最高(圖2)，這說明強凍融處理雖然在試驗前期和后期分別促進和降低了微生物殘體碳含量(圖1)，但真菌和細菌殘體碳變化的幅度并不一致。具體而言，強凍融處理在前期更有利于細菌殘體碳累積，而在后期則加速了細菌殘體碳的損失。短期的凍融作用有利于加速土壤中可利用養(yǎng)分的釋放，導致C/N值較低的細菌群落增加更快；但較長時間的凍融作用后，細菌比真菌對低溫的抗性更弱，細菌活性處于低能量下的代謝狀態(tài)，養(yǎng)分同化效率顯著下降，可能使細菌的比例降低更多[30]。有報道[31]指出，長期凍結(jié)會使土壤微生物量C/N值明顯增大；同時，微生物群落結(jié)構(gòu)逐漸向以真菌群落為主的方向轉(zhuǎn)變，這支持了本研究的結(jié)果。此外，也不排除部分細菌殘體被真菌分解，以滿足其對碳源和自身生長的需求[32]。以上結(jié)果表明，長期高強度的凍融作用不利于細菌殘體在土壤中的固定與累積。

值得注意的是，在添加秸稈后，凍融作用對F/B值的影響與不添加秸稈處理呈現(xiàn)出明顯差異化的趨勢：即凍融作用并未在前8次循環(huán)中對F/B值產(chǎn)生明顯影響，而在試驗結(jié)束時卻顯著降低了F/B值，且強凍融處理降低幅度更大(圖2)。首先，添加秸稈會在前期縮小凍融作用對真菌和細菌殘體碳相對比例的影響，這主要由于在前8次循環(huán)中，添加秸稈降低了恒溫培養(yǎng)和弱凍融處理中的F/B值，從而縮小了其與強凍融處理的差異。該現(xiàn)象證明，在恒溫和弱凍融條件下，細菌能夠快速利用新輸入的活性碳、氮進行自身生物合成，因而導致大量胞壁酸等細菌源殘體在土壤中累積。其次，添加秸稈情況下，強凍融處理在試驗結(jié)束時比恒溫處理明顯降低F/B值，這主要由于秸稈在后期增加了恒溫培養(yǎng)處理中的F/B且降低了強凍融處理中的F/B值，暗示了秸稈添加在不同溫度條件下對微生物群落不一致的調(diào)控模式。以上結(jié)果表明，添加秸稈在前期更有利于恒溫培養(yǎng)和弱凍融條件下細菌殘體碳的累積，而在后期加速了細菌殘體碳的損失；在強凍融條件下，秸稈輸入在后期促進了細菌殘體碳的累積。

本研究顯示，總微生物殘體碳對土壤有機碳的貢獻分布在 44.7%～52.0% (圖3)，與以往報道[19, 33–34]一致，再次證明微生物殘體碳是土壤穩(wěn)定有機碳庫的重要組成部分。凍融作用和外源有機碳輸入會進一步調(diào)控微生物殘體碳對土壤有機碳的貢獻。在不添加秸稈條件下，相較恒溫培養(yǎng)處理，強凍融處理在前期增加了真菌殘體碳(Fresidue-C/SOC)和細菌殘體碳(Bresidue-C/SOC)對土壤有機碳的貢獻，而在后期降低了Fresidue-C/SOC和Bresidue-C/SOC，這是真菌和細菌殘體碳含量變化的結(jié)果(圖1)，也暗示著土壤有機碳組成和質(zhì)量的變化，即較長時間高強度凍融作用降

低了土壤有機碳中微生物來源碳的比例。鑒于微生物殘體碳在土壤穩(wěn)定有機碳庫形成中起到的重要作用[12]，凍融作用所引發(fā)的微生物殘體碳貢獻的降低，可能會對土壤有機碳的長期固定帶來進一步的不利影響。此外，添加秸稈條件下，不同強度的凍融處理在試驗結(jié)束時Fresidue-C/SOC和Bresidue-C/SOC與恒溫處理差異不大，進一步說明外源有機碳輸入能夠在一定程度上緩解凍融作用對真菌和細菌源有機碳所占比例的影響，這對于改善處于凍融作用地區(qū)土壤有機碳穩(wěn)定性具有重要的意義。

4 結(jié)論

弱凍融處理(融凍溫度/凍結(jié)溫度為5℃/?4℃)對土壤微生物殘體碳累積的影響較小，而強凍融(融凍溫度/凍結(jié)溫度為5℃/?9℃)不利于土壤微生物殘體碳的長期累積，降低了其對土壤有機碳的貢獻。細菌殘體碳在長期強凍融作用下的分解程度大于真菌殘體碳，因而長期凍融增加了真菌細菌殘體碳比值。添加玉米秸稈對多次反復強凍融作用下真菌殘體碳含量影響不顯著，而明顯提高了細菌殘體碳的累積，在一定程度上緩解了強凍融對微生物殘體碳累積的不利影響。因此，添加秸稈有利于增加強凍融作用下土壤微生物源有機碳的穩(wěn)定性。