期刊名称：Soil Biology and Biochemistry
影响因子:12.2
DOI:10.1016/j.soilbio.2025.109998
检测指标：土壤微生物胞外聚合物多糖/蛋白质、土壤理化指标、土壤酶活、微生物多样性
该论文以亚热带地区石灰岩、页岩两种成土母质下旱地、林地、水田的0-120 cm土壤剖面为研究对象，探究微生物胞外聚合物（EPS）在深层土壤有机碳积累中的作用。当前土壤碳循环研究多聚焦微生物残体碳，忽视胞外聚合物这类胞外代谢物的碳贡献，为填补这一缺口，研究围绕EPS积累效率、剖面分布及其驱动机制开展试验。
研究采用阳离子交换树脂法提取土壤EPS，测定EPS蛋白、多糖组分，同时检测微生物生物量碳、微生物残体碳、碳氮磷循环胞外酶活性，并结合高通量测序解析微生物群落，利用随机森林、结构方程模型识别关键驱动因子。结果表明，表层0-40 cm土壤中微生物生物量碳对有机碳贡献高于胞外聚合物碳（EPS-C）；随土层加深，EPS积累效率持续上升，80-120 cm深层土壤EPS-C占土壤有机碳比例显著提升，贡献甚至超过微生物生物量碳，该现象在林地、水田土壤尤为突出。
深层土壤存在强烈氮素养分限制，驱动微生物生存策略由“优先生长”转向“优先存活”，微生物分配更多资源合成EPS。Zixibacteria、Zavarzinella等细菌属与Xylohypha等真菌属和EPS积累效率显著正相关。β-葡萄糖苷酶活性、全氮含量对EPS-C占比呈显著负效应，低氮环境是促进深层EPS积累的核心因素。
研究证实EPS是深层土壤碳库不可忽视的重要组分，弥补了现有微生物碳泵理论对胞外代谢物的认知短板，为深层土壤固碳评估提供新视角。
本研究于2024年1-4月在湖北长阳采集6个样点土壤剖面，涵盖石灰岩、页岩两种母质与旱地、林地、水田三种土地利用，每个剖面分为0-20 cm、20-40 cm、40-80 cm、80-120 cm四层，每层设置3个重复。土样剔除根系与砾石后过2 mm筛，分为两份：一份冷冻干燥用于理化测定，另一份-20 ℃冷藏，用于胞外聚合物（EPS）提取与微生物分析。
胞外聚合物蛋白质含量总体随土层加深下降，0-20 cm土层EPS蛋白质含量是80-120 cm土层的2.47-6.59倍。成土母质对EPS-蛋白质存在影响：石灰岩发育土壤高于页岩发育土壤。土壤剖面中EPS-多糖整体随土层加深下降，石灰岩发育土壤尤为明显；页岩发育土壤中该趋势不明显，页岩发育水田土壤最为突出（图1）。土地利用方面，旱地、水田土壤EPS-多糖含量高于林地土壤。
图1.不同母质和土地利用类型下，土壤EPS-蛋白质（a）和EPS-多糖（b）含量随土壤深度的变化。数据以平均值±标准误差表示（每个数据点n=9）。小写字母（a、b和c）表示不同深度的蛋白质或多糖含量存在显著差异（P<0.05）。
（2）土壤理化性质、微生物生物量、氨基糖随土层深度的变化
除页岩林地土壤外，土壤有机碳、全氮含量均随土层加深下降。pH受土层深度和成土母质共同调控；40-120 cm土层pH显著高于0-40 cm土层；页岩发育土壤整体酸性强于石灰岩发育土壤。DOC、有效磷、硝态氮、铵态氮等生物可利用养分随土层加深显著降低，硝态氮与铵态氮降幅尤为突出；石灰岩发育土壤生物有效养分总体高于页岩发育土壤。
MBC、MBN含量随土层加深降低，石灰岩发育土壤高于页岩发育土壤。方差分析显示剖面MBC、MBN受土地利用影响，表现为水田>林地>旱地（P<0.05）。土壤总氨基糖（AS）含量随土层加深下降（图2）；全部土壤类型中，页岩林地土壤总氨基糖、胞壁酸、氨基葡萄糖含量最高；真菌-细菌残体比值（GluN/MurA）随土层加深升高。
图2.在不同母质和土地利用类型下，土壤深度变化对总氨基糖（AS）、MurA、GalN、GluN及GluN/MurA含量的影响。AS：氨基糖；MurA：胞壁酸；GalN：氨基半乳糖；GluN：氨基葡萄糖。数据以平均值±标准误表示（每个数据点n=9）。小写字母（a、b、c）表示不同深度下总AS、MurA、GalN、GluN及GluN/MurA比例存在显著差异（P<0.05）。
（3）EPS-C积累效率及其对土壤有机碳贡献随土层深度的变化
EPS-蛋白质积累效率（EPS-Prot/MBC）随土层加深升高（图3）；所有土壤剖面中，0-40 cm土层该效率均低于40-120 cm土层。0-40 cm范围内，无论母质类型，旱地土壤EPS-Prot/MBC高于林地、水田土壤。EPS-Prot/MBC同时受土地利用、成土母质显著影响；页岩发育土壤高于石灰岩发育土壤；石灰岩旱地、页岩林地分别拥有各自母质条件下最高的EPS-蛋白质积累效率。
EPS-多糖积累效率（EPS-Poly/MBC）变化趋势与蛋白组分一致，随土层加深上升（图3）。多因素方差分析表明EPS-Poly/MBC受土地利用显著影响，大小顺序旱地>水田>林地（P<0.05）。胞外聚合物碳氮比同样随土层加深升高，林地土壤该规律尤为明显。
图3.不同土壤深度的EPS-ProtMBC（a）和EPS-PolyMBC（b）随母质和土地利用类型的变化而不同。MBC，微生物生物量碳；EPS-ProtMBC，EPS-蛋白的积累效率；EPS-PolyMBC，EPS-多糖的积累效率。数据以均值±标准误（每个数据点n=9）表示。小写字母（a，b，c）表示不同深度EPS-ProtMBC和EPS-PolyMBC的显著差异（P<0.05）。
对比MBC、EPS-C、MNC对SOC的贡献：MBC/SOC在各土层之间无显著差异（图4）；MNC/SOC、真菌残体碳占比（FNC/SOC）、细菌残体碳占比（BNC/SOC）均随土层加深显著下降。与之相反，EPS-C/SOC比值随土层加深显著升高，林地与水田土壤变化幅度最大。
整合同层全部数据：0-20 cm、20-40 cm土层MBC对SOC的贡献（4.69%、5.14%）高于EPS-C（2.02%、2.87%）；而80-120 cm土层EPS-C对SOC的贡献比MBC高出40.93%。
图4.在不同母质和土地利用类型下，随着土壤深度变化的MBC/SOC、EPS-C/SOC、MNC/SOC、FNC/SOC和BNC/SOC。MBC表示微生物生物量碳；SOC表示土壤有机碳；EPS-C表示胞外聚合物中有机碳含量；MNC表示微生物死体碳；FNC表示真菌死体碳；BNC表示细菌死体碳。数据以均值±标准误表示（每个数据点n=9）。小写字母（a，b，c）表示不同深度下MBC/SOC、EPS-C/SOC、MNC/SOC、FNC/SOC和BNC/SOC比例的显著差异（P<0.05）。
（4）胞外酶活性随土层深度的变化
全部5种水解酶活性均随土层加深下降，0-20 cm表层土壤酶活性最高。页岩林地土壤磷酸酶活性最高；页岩发育土壤的碳水解酶BG活性高于石灰岩发育土壤；石灰岩旱地、页岩水田的NAG酶活性高于其他土壤。总体来看页岩发育土壤酶活性高于石灰岩发育土壤。
酶向量长度随土层加深增大，说明微生物碳限制随深度加剧；石灰岩水田、页岩旱地、页岩水田的微生物碳限制更强（图5）。全部土壤剖面酶化学计量向量角度均小于45°，表明本区域土壤微生物主要受氮限制，而非磷限制（图5）。0-40 cm土层页岩发育土壤微生物氮限制程度显著高于石灰岩发育土壤；同时微生物氮限制强度随土层加深不断增强。
图5.在不同母质和土地利用类型下，土壤深度与酶活性的向量长度和角度的变化。线的长度表示向量的大小，角度的方向表示向量的方向。向量角度小于55°表示氮受限，角度越小表示氮受限越强。灰色虚线表示氮受限阈值（55°）。（a）石灰岩旱地；（b）石灰岩林地；（c）石灰岩水田；（d）页岩旱地；（e）页岩林地；（f）页岩水田。
（5）微生物群落随土层深度的变化
利用Chao1、Shannon指数表征微生物群落α多样性。除水田土壤外，石灰岩发育土壤细菌、真菌Chao1指数略高于页岩发育土壤；同一剖面内，细菌、真菌Chao1指数大多随土层加深降低，林地土壤除外。不同土层间微生物β多样性存在明显分异，0-40 cm土层与40-120 cm土层群落差异尤为显著。
（6）影响深层土壤有机碳积累的环境因子
Mantel检验结果表明，土壤真菌群落组成与EPS-C密切相关，（图6a）；微生物群落组成与各类土壤碳组分（MBC、FNC、BNC、MNC）、EPS-C/SOC比值显著相关；BG酶活性、SOC含量同样与微生物群落组成高度关联（图6a）。Spearman相关显示EPS-C/SOC比值与土层深度、pH、硝态氮、GluN/MurA比值正相关；与SOC、TN、BG酶活性显著负相关。
随机森林分析识别出影响EPS-C/SOC比值的五大关键因子：β葡萄糖苷酶活性（BG）、全氮（TN）、EPS-C、铵态氮（NH4+-N）、土壤有机碳（SOC）（图6b）。结构方程模型（SEM）进一步量化环境因子对EPS-C/SOC的直接、间接效应（图6c-d）；所选环境变量一共解释EPS-C/SOC 82%的变异；土层深度、BG活性、全氮TN是主导因子。综上，该结果解析了深层土壤环境因子对EPS-C的调控作用。
图6.（a）基于Mantel检验的微生物群落组成与环境因素关系。相关性图中的颜色代表Spearman相关系数，方框内的星号（*）表示显著差异。边的宽度对应Mantel检验的r统计值，颜色表示基于9999次置换检验的显著性。（b）基于随机森林模型分析，环境因素在预测EPS-C/SOC比率中的相对重要性。重要性通过均方误差（MSE）的百分比增加来量化。（c）结构方程模型（SEM）揭示环境因素对EPS-C/SOC比率的直接和间接影响。红色线表示正向影响，蓝色线表示负向影响，虚线表示不显著影响。（d）来自SEM分析的每个因素的标准化效应值。橙色表示标准化直接效应，蓝色表示标准化间接效应。
4.研究结论
本研究证明胞外聚合物是深层土壤碳库的关键组分：胞外聚合物积累效率随土层加深上升，EPS-C/SOC比值显著增大，EPS-C对土壤有机碳的贡献逐步超过MBC。这说明长期被忽视的微生物胞外聚合物是深层土壤碳库的重要贡献者。研究同时揭示：有效氮限制是驱动深层土壤胞外聚合物积累效率升高的主导因子。本结果强调，在土壤碳循环研究中，必须将土壤胞外聚合物视作一条微生物胞外固碳路径。后续研究需要更加全面地阐明微生物参与土壤碳循环的完整过程。