文献导读
钙（Ca）可以通过调节有机化合物与矿物质之间的物理化学相互作用来促进土壤有机碳（SOC）的持久性。 钙对于微生物的附着也至关重要，会影响其在植物和矿物表面的定植。 本研究为了探究Ca对凋落物的微生物转化和矿物结合态有机质形成的影响，将44Ca标记土壤与13C、15N标记凋落物共同培养。 结果表明，Ca的添加促进了矿物和植物凋落物的微生物分解产物之间的联系。 该研究强调了钙在有机碳持久性中的作用，是有机碳非生物-生物耦合循环过程中的重要介质。
主要结果
结果1：钙改变微生物呼吸，凋落物代谢和转化
在培养4天时，钙的添加降低了CO2积累量。与凋落物共同培养16天后，KCl处理下的土壤与CaCl2相比具有更高的矿化率，表明Ca可以有效降低土壤有机碳的矿化速率。通过观察Ca添加对微生物生长和代谢效率的影响，发现Ca的添加使得Tbeg（培养四天后）的CUE从0.20增长到0.29，13C标记的凋落物MBC从0.36增加到0.53（图2）。Ca对凋落物分解的影响是促进凋落物C和N向MAOM组分转移。在培养3个月时，Ca处理的MAOM组分中凋落物源C和N的比例分别比对照土壤低16%和14%（图2e）。培养4个月时，在两种含水量下，Ca处理土壤中MAOM部分的凋落物衍生13C、15N的C:N比对照低0.52 （图2f）。但总体而言，Ca处理并没有显著影响凋落物13C或15N在fPOM和oPOM组分中的比例。这一发现表明，在该实验中Ca降低呼吸速率或改变微生物凋落物代谢的重要机制不是将凋落物封闭在团聚体内。
结果2： 钙诱导细菌群落组成的变化
在培养4天时，Ca和凋落物的添加分别解释了细菌群落组成的28%和32%，而在培养4个月时，Ca添加解释了细菌群落组成变化的32%，超过了凋落物18%的解释度（图3b）。Ca的加入使许多杆菌门（芽胞杆菌纲）和放线菌门（放线菌纲和嗜热菌纲）以及假单胞菌门的部分细菌迅速且持久地富集。值得注意的是，Ca导致因凋落物而富集的细菌种群的相对丰度下降，表明Ca对分解者种群的影响。
结果3：钙影响有机碳的化学组成和空间分布
Ca的添加会改变凋落物的整体有机碳组成。在培养4天时，不同处理的土壤有机碳组成相似，但到4个月时（在40 %的凋落物被矿化后），Ca处理的土壤O-alkyl C含量相对丰度（289.4 eV）低于对照，表明Ca处理的土壤凋落物的碳水化合物成分分解程度更高（图4）。该研究还发现，在红外光谱显微镜下，Ca影响有机矿物结合的形成（图5）。黏土矿物（2:1和1:1的铝硅酸盐，如蒙脱石和高岭石）和三个有机官能团（芳香，脂肪和羧基）在完整微团聚体截面上的空间共定位在Ca处理的土壤中更高。在回归模型中，钙处理土壤微团聚体中羧基C和芳香型C的R2值和系数从1-5增加到1-10，而脂肪族C的R2值和系数则减少。 相比之下，对照土壤的回归模型中R2和回归系数值的最大增加是在黏土矿物和脂肪族C之间的关系中（图5）。这些发现反映了钙驱动有机矿物与微生物转化产物和可能富含羧基和芳香族官能团的可溶性植物源化合物形成之间的关联。
该研究进一步探究了Ca在MAOM形成中的作用，通过使用NanoSIMS追踪44CaCl2衍生的44Ca和枯落物衍生的15N（图6）。NanoSIMS图像显示了完整团聚体剖面内矿物、孔隙和有机质的不均匀排列。 图像被分割成以矿物为主和有机质为主的区域（图6a），每个区域进一步被分类为以钙（Ca）、铝（Al）或铁（Fe）为主的区域（图6b）。 在矿物和有机质占主导地位的区域都观察到44Ca的富集，在有机质区域平均为49.2 atom%，在矿物区域平均为42.6 atom%。 Ca的加入将Ca与矿物区域的共定位从11%增加到14%（图6d），并将Ca与有机质区域的共定位从68%增加到90%（图6e）。 与仅添加Ca相比，Ca和凋落物同时添加Ca对二者共定位的影响更大。 与对照土壤相比，钙处理土壤在钙主导的矿质区中，15N的富集程度更高（图6f， g），这表明Ca添加增强了矿物与富N有机化合物的结合。此外， Ca处理土壤MAOM部分的凋落物衍生的15 N和13 C的C:N较低（图2d）。这些结果表明，通过明显的共定位，Ca在矿物-凋落物界面上相互作用，特别是当Ca和凋落物一起施用时，并促进凋落物分解产物在矿物表面的沉积，形成潜在的新的有机-矿物组合。
总 结
Ca在土壤有机碳形成与固持过程中通过有机质与矿物之间的物理化学作用被广泛关注，而Ca钙对于微生物的附着是至关重要的，可能会影响植物和矿物表面的定植，在这方面，Ca作为微生物-矿物-有机质相互作用过程的重要介质作用很大程度被忽视了。该研究基于Ca通过改变微生物组的结构和功能来促进有机碳持久性的假设，回答了4个科学问题：（1）钙处理是否会富集以表面附着为主要生活方式的微生物类群；（2）这种群落组成的转变对CUE和凋落物的微生物转化有何影响；（3）钙诱导的微生物组变化如何影响MAOM的形成；（4）钙在这些有机相互作用中发挥的具体位置。本研究提出了钙驱动土壤微生物群落组成的变化，从而改变了植物源碳转化为MAOM组分的过程，强调了钙并非仅仅是有机碳形成与固持过程中物理化学反应的驱动因素，更是有机碳在非生物-生物耦合循环中的重要介质。
参考文献： Shabtai I A, Wilhelm R C, Schweizer S A, et al. Calcium promotes persistent soil organic matter by altering microbial transformation of plant litter[J]. Nature Communications, 2023, 14(1)
解读：杨爽 中国科学院生态环境研究中心
指导：伍松林 研究员 中国科学院生态环境研究中心
评论 ( 2 )