在中国东北地区的灰化土玉米单作系统中，坡度梯度影响着新返回的作物残体对土壤养分动态及微生物多样性的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Slope gradients mediate the effects of newly returned crop residues on soil nutrient dynamics and microbial diversity in Mollisol maize monoculture systems in Northeast China

　　安瓦尔·泽布|胡良军|徐莉|戈哈尔·阿里|阿特卡·阿克巴尔|萨尔弗拉兹·艾哈迈德|穆罕默德·阿瓦伊斯·海德尔|阿姆罗齐亚·纳兹中国长春130024，东北师范大学生命科学学院，草原科学研究所，吉林松嫩草原生态系统国家观测研究站，教育部植被生态学重点实验室摘要在灰化土玉米种植系统中，作物残体管理对于维持土壤有机质和肥力至关重要；然而，新归还的残体如何与坡度梯度相互作用，进而影响土壤性质和微生物群落，目前仍不清楚。我们在中国东北地区连续种植的玉米单作田中开展了田间试验，设置了三种坡度梯度（3°、5°和8°），两种残体处理方式（归还残体与不归还残体），以及两种土壤深度（0–10厘米和10–20厘米）。我们测量了土壤的物理化学性质，并通过高通量16S rRNA和ITS扩增子测序技术分析了细菌和真菌群落的特征。与传统预期相反，一年后归还残体使表土中的总土壤碳减少了13.47%（p=0.0124），微生物生物量碳减少了65.5%（p=0.001），且在较陡的坡面上降幅更为显著。残体归还还使缓坡和陡坡上的土壤硬度降低了约59.6%（p=0.001），而有效氮、铵态氮和硝态氮则下降了66%以上（p=0.0103），尤其是在5°坡度的0–10厘米土层中。经过残体处理的土壤中，担子菌门、毛壳菌属、镰刀菌属、变形菌门以及珠菌属的数量有所增加，尤其是在非陡坡上，而且微生物多样性对坡度的响应在表土中最为明显。相关性分析、随机森林分析和PLS-PM分析表明，细菌群落与土壤pH值和碳储量密切相关；土壤pH值对氮的有效性及细菌群落结构有显著的负向影响，而真菌群落则与氮和磷的有效性关联更为紧密。这些结果表明，新归还的残体可能通过影响现有的土壤有机碳来促进分解和养分循环。总体而言，坡度梯度会通过改变土壤pH值、湿度、养分有效性和残体保留情况，显著影响特定时间点归还残体的利弊，这凸显出在中国东北地区灰化土农田中需要采取适应不同坡度且具有时间针对性的残体管理措施。引言土壤是地球上生物多样性最丰富的生境之一，承载着全球大部分的生物多样性，其中细菌和真菌是占主导地位且功能至关重要的类群（Anthony等人，2023年）。在农业生态系统中，这些微生物调控着包括有机质分解、养分矿化、土壤团聚以及植物与土壤之间的反馈作用等关键生态过程，这些过程直接影响土壤肥力、作物产量以及生态系统的可持续性（Barrios，2007年；van der Heijden等人，2008年；Wagg等人，2011年）。尤其是真菌群落，通过与具有协同作用的细菌和植物建立有益的共生关系，能够提升作物生长表现，但它们也可能通过致病作用降低产量，这也凸显了它们在维持土壤健康和长期农业可持续性方面的核心作用（Barrios，2007年；Newsham，2011年）。微生物群落对土壤有机质、养分有效性、pH值、湿度以及土壤物理结构的变化极为敏感，因此被广泛视为衡量土壤质量和管理带来的生态变化的有效指标（van der Heijden等人，2008年；Zhang等人，2016年）。因此，明确农业实践如何影响微生物群落对于制定既能保持生产力又能维持生态系统功能的管理策略至关重要。在这些农业实践中，作物残体管理在以玉米为主的农业生态系统中尤为重要，因为这类系统每年会产生大量作为主要残体形式的秸秆（Recous等人，1995年）。通过将秸秆还田或用作覆盖物，这一可持续做法被认为能够增加土壤有机碳，循环利用碳、氮和磷等养分，提高土壤保水能力，降低侵蚀风险，并激发土壤生物活性（Blanco-Canqui和Lal，2009年；Hu等人，2021年；Kumar和Goh，2000年）。秸秆还能提供易于分解的底物，如糖类和蛋白质，从而促进微生物生长和养分循环，尤其是在表层土壤中（Paterson等人，2011年）。然而，秸秆还田的益处并非在所有环境中都一致；其对土壤性质、微生物群落以及作物产量的影响在很大程度上取决于气候、土壤类型和管理方式（Liu等人，2017年）。这一问题在中国东北地区的灰化土——也就是世界上年产量最高的玉米种植土壤中尤为突出，因为这类土壤具有深厚的富含腐殖质的表层土层以及较高的天然肥力（Li等人，2020年；Yang等人，2021年）。这些土壤对区域乃至国家的粮食安全至关重要，但长期的集约化耕作加速了其退化，表现为土壤有机质减少、土壤结构恶化以及土传病害增加（Li等人，2019年）。在这种压力之下，秸秆还田被视为一种环保的方法，有助于增加土壤有机质、提升土壤肥力，并重新利用当地丰富的作物残体资源。不过，关于秸秆还田效应的时间动态机制目前了解还不够充分，例如短期和长期施用是否会产生相似的结果以及是否通过类似的机制发挥作用，这些问题仍有待深入研究。在不考虑景观背景的情况下，无法准确评估秸秆还田在灰化土中的效果。在中国东北地区，很大比例的灰化土农田位于坡地上，坡度梯度影响着径流和侵蚀、养分输送、残体保留以及土壤湿度（Bronick和Lal，2005年；He等人，2024年；Wang等人，2024年）。通常情况下，较陡的坡面会加剧地表径流和侵蚀，带走富含养分的表土，形成不均匀的土壤条件，从而导致土壤的物理、化学和生物性质出现明显的空间差异。这种地形异质性还会进一步影响残体分解、养分循环以及微生物的生存环境，最终决定细菌和真菌对秸秆还田的反应（Rashmi等人，2022年）。在灰化土上，长期在坡地上耕作导致黑土层变薄，犁底层变厚，土壤结构恶化，整体土壤质量下降，这些因素使得上述过程尤为重要（Yang等人，2022年）。以往的大多数研究都是单独探讨作物残体管理和地形之间的关系。关于秸秆还田的研究大多侧重于土壤肥力、碳循环或粮食产量，而与坡度相关的研究则主要关注侵蚀或土壤物理变化。即便同时考虑了这两个因素，研究也往往仅停留在物理或农艺结果层面，对土壤生物过程的研究相对较少（Wang等人，2022年）。因此，很少有研究明确探讨秸秆还田如何与坡度梯度及土壤深度相互作用，从而影响坡地灰化土玉米系统中的土壤性质和微生物群落，尤其是在不同时间尺度下（短期与长期秸秆还田）。这一研究空白十分重要，因为微生物负责调节土壤有机质分解、养分循环和碳循环，它们的反应会随着坡位、土壤深度以及时间的变化而发生变化，这些变化源于底物供应、湿度条件以及侵蚀带来的物质重新分布。如果没有这种综合性的理解，就很难为中国东北地区地形复杂的灰化土农田制定出合适的残体管理策略。为填补这一知识空白，我们于2018年开始了一项田间研究，旨在探究在中国东北地区灰化土上连续种植的玉米单作田中，作物残体归还、坡度梯度以及土壤深度共同对土壤性质和微生物群落的影响。我们首先研究了短期秸秆还田如何在不同坡度梯度及土壤深度下改变土壤中的碳、氮、磷含量，以及湿度、容重和硬度；随后分析了秸秆还田前后细菌和真菌的多样性及群落组成变化。我们提出了以下假设：（1）坡度梯度会影响秸秆还田对土壤养分的效应，较陡的坡面会导致更强的养分再分配，碳和氮的周转程度也会比缓坡面更高；（2）秸秆还田会增加土壤有机质和养分有效性，提升微生物多样性，并改变微生物群落组成，不过由于地形差异导致的残体保留、侵蚀和湿度变化，这些响应会因坡度梯度及土壤深度的不同而有所差异。本研究的新颖之处在于，它综合考虑了短期秸秆还田、地形差异以及土壤垂直异质性在灰化土玉米系统中的作用，从而阐明了在外源有机物质投入和坡度梯度作用下土壤性质与微生物群落模式之间的关联。通过结合田间观测数据、高通量扩增子测序以及生物信息学分析，这项研究为了解坡度如何影响秸秆还田对土壤健康和养分循环的作用提供了新的见解，也为在灰化土农业生态系统中采取适应不同坡度的残体管理措施、提升土壤质量和玉米产量提供了科学依据。研究地点描述该研究在吉林省东辽县的兴牧水土保持科学技术示范园进行（东经125°22′，北纬42°58′）。该地点位于中国东北地区的低丘黑土区，属于半湿润大陆季风气候。年平均气温为5.2℃，年平均降水量为658毫米，其中约80%的降水集中在6月至8月之间（Fan等人，2005年）。研究区域的耕地大多分布在坡地上。秸秆还田改变了不同坡度梯度及土壤深度下的土壤性质。三因素方差分析（表S1）显示，总体而言，玉米秸秆还田显著影响了土壤pH值（p<0.001）、总碳含量（p=0.0124）、土壤水分含量（p<0.001）、土壤有机质含量（p=0.0768）、总氮含量（p=0.0092）、铵态氮含量（p<0.001）、硝态氮含量（p<0.001）以及土壤氮含量（p=0.0051）。相比之下，坡度梯度显著影响了土壤pH值（p<0.001）、电导率（p=0.0003）、总碳含量（p=0.027）、土壤水分含量（p=0.0236）、总磷含量（p=0.0039）、土壤有机质含量（p=0.0223）、总氮含量（p=0.0154）、铵态氮含量（p<0.001）、铵态氮含量（p=0.0638）等参数。讨论本研究探讨了在中国东北地区灰化土上连续种植的玉米单作田中，短期玉米秸秆还田、坡度梯度以及土壤深度共同对土壤物理化学性质和微生物群落的影响。总体而言，短期秸秆还田显著降低了土壤中的碳储量、微生物生物量以及各类主要养分含量，同时还加剧了土壤酸化，尤其是在中度坡面上。秸秆还田还改变了微生物群落组成，尤其是……结论本次野外调查证实，在中国东北地区灰化土玉米系统中，新归还的作物残体对土壤养分动态和微生物群落构建的影响会受到坡度梯度的强烈调节。具体来说，秸秆还田降低了土壤中的碳储量和微生物生物量，减轻了土壤压实现象（降低了容重），同时显著减少了各类主要矿物氮含量（铵态氮、硝态氮和有效氮），并加剧了土壤酸化，这一变化在……个月内就已显现。CRediT作者贡献说明穆罕默德·阿瓦伊斯·海德尔：写作——审阅与编辑、定量分析、数据整理。萨尔弗拉兹·艾哈迈德：可视化、软件应用、方法设计、数据整理。阿姆罗齐亚·纳兹：可视化、方法设计、定量分析、数据整理。安瓦尔·泽布：写作——审阅与编辑、验证、方法设计、定量分析、数据整理。徐莉：写作——审阅与编辑、实验研究、定量分析、数据整理。胡良军：写作——审阅与编辑、研究指导、项目管理、概念构思。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了吉林省教育厅项目（编号JJKH20250341CY）以及中国科学技术部重点研发计划（编号2018YFC0507001）的资助。特别感谢吉林省水土保持研究院副院长张宇教授、辽东大学生态学副教授王薇娜博士以及硕士生程悦同学在田间采样和实验室分析方面给予的帮助。