有机肥通过提升微生物群落多样性与稳定性延缓黑土养分循环进程的作用机制

《Environmental Microbiome》：Organic fertilizers increase microbial community diversity and stability slowing down the transformation process of nutrient cycling

为解决长期施肥对黑土区土壤微生物群落组装机制及功能潜能影响不明的问题，研究人员开展了44年不同施肥处理（化肥CF、有机肥M、有机无机配施CFM）对黑土微生物群落结构、功能基因动态及养分循环过程的影响研究。发现CF通过确定性选择过程富集碳降解（淀粉、纤维素、几丁质、木质素）和硝化功能基因，加速养分转化；而M和CFM通过促进随机性组装过程提高群落多样性和稳定性，延缓养分周转。该研究为黑土区农业绿色生产中微生物调控策略提供了理论依据。

　　

黑土（Mollisols）作为全球粮食安全的关键资源，长期面临着过度施肥导致的土壤酸化、有机碳耗竭和结构退化等严峻挑战。虽然施肥的农艺效益已被广泛证实，但关于微生物群落对不同施肥制度的遗传响应机制和生态过程仍知之甚少，尤其是在黑土这类特殊生态系统中。微生物在土壤养分循环中扮演着核心角色，其群落组装过程、功能潜能及稳定性的变化直接影响着农业生态系统的可持续性。为此，Chen等人在《Environmental Microbiome》发表了历时44年的施肥定位试验成果，揭示了有机和无机肥料如何通过调控微生物组装机制和功能基因表达，深刻影响养分转化过程和作物生产力。

研究团队在黑龙江农业农村部耕地保护与农业环境科学观测实验站开展了长期试验，设置了不施肥（NoF）、纯有机肥（M）、纯化肥（CF）及有机无机配施（CFM）四种处理，采用小麦-玉米-大豆轮作制度。通过土壤化学性质分析、实时定量PCR（qPCR）、16S rRNA扩增子测序和GeoChip 5.0功能基因芯片等关键技术，系统解析了土壤微生物群落的组成、结构、功能及组装机制。特别注重样本的生物学重复（每个处理3次重复）和高通量数据的标准化处理，确保结果可靠。

化学施肥提升功能基因丰度但降低群落多样性

通过16S rRNA基因拷贝数定量和GeoChip检测发现，CF处理显著提高了碳降解（如淀粉、纤维素、几丁质和木质素）和硝化相关功能基因的丰度和多样性，加速了顽固碳向活性碳库的转化以及铵态氮向硝态氮的转化。然而，CF同时降低了细菌群落的Alpha多样性，并通过酸性环境过滤（pH降低0.8）使群落组装由随机性过程转向确定性过程（|βNTI|>2）。相反，M和CFM处理促进了微生物多样性和稳定性，减缓了养分转化速度。

有机肥调控群落组装增强稳定性

网络分析和零模型计算表明，CF处理中确定性过程（异质选择）贡献率达58.3%，而CFM通过增加资源异质性使随机性过程（扩散限制）占比升至66.7–76.2%。有机肥的输入缓冲了恶劣环境的选择压力，提高了生态位宽度，从而支持了更高程度的随机性组装和群落韧性。拓扑特征分析显示，CFM处理中节点的介数中心性和紧密度中心性较低，说明其网络结构更为稳定。

2表示确定性组装占主导，|βNTI|<2表示随机过程更重要。B确定性（异质和同质选择）和随机（扩散限制、均质化扩散和未支配）组装过程的相对贡献。C微生物类元的元群落共现网络。展示了长期NoF、M、CFM和CF富集类元的彩色共现网络。节点表示特定处理中富集的OTU：NoF，不施肥；M，有机肥；CF，化肥；CFM，有机无机配施。连接（边）表示强（Spearman's ρ>0.6）且显著（错误发现率（FDR）校正后p<0.01）的相关性。节点大小与连接数（度）成正比。边厚度与Spearman相关系数值成正比。摘要图（右下）详细列出了节点和边统计：彩色数字表示每处理组的节点数；深灰色数字表示组内连接数；连接线旁边的数字表示跨组交互的数量。D处理富集OTU的节点级拓扑特征（度、介数中心性和紧密度中心性）。星号表示组间显著性（p<0.05）'>

关键类群指示施肥制度与作物产量

研究鉴定出Chloroflexi、Acidobacteriota、Actinobacteriota和Proteobacteria门中的关键指标类群（IndVal>0.5），如Thermomicrobiales、Acidobacteriales、Nocardioides和Candidatus Solibacter等。这些类群在NoF、M和CF处理中分布各异，与土壤健康和产量潜力密切相关。结构方程模型（SEM）进一步证实，土壤性质（如pH和总磷TP）直接调控细菌群落和功能基因的Alpha与Beta多样性，进而通过碳、氮、磷循环通路基因丰度影响作物产量。

3）、总磷（TP）。微生物指标：香农多样性（Alpha-div）、Bray-Curtis相异度（Beta-div）。整体拟合采用Shipley的d分离检验，使用Fisher's C统计量（如果p<0.05则无路径缺失，模型拟合良好）和Akaike信息准则（AIC）。B所有系数数据标准化'>

功能基因响应揭示养分循环差异

CF处理显著提升了碳降解基因的相对丰度，尤其在淀粉、半纤维素、纤维素、几丁质和木质素分解中，主要由8种细菌物种、9种真菌物种和1种绿藻病毒（Chlorovirus MT325）驱动。氮循环功能基因（如hao、narG/nosZ）在CF中同样富集，涉及Planctomycetes和Proteobacteria等菌群。磷循环基因（ppk、ppx）也对施肥有所响应，CF独有Thiocapsa、Frankia等类群，而有机添加（CFM）缓解了养分代谢过程。

研究结论强调，长期施肥制度通过两条相互关联的路径重组土壤微生物组：一是酸化、有机质耗竭等理化变化施加的确定性过滤；二是资源介导的群落组装过程转变。纯化肥虽维持功能潜能，却以牺牲分类多样性为代价，使系统趋于脆弱；而有机无机配施通过促进随机组装和支持关键类群，维持了更复杂稳定的生态网络，增强了系统韧性。该研究为黑土区农业可持续集约化提供了微生物学依据，主张将有机肥部分替代化肥作为核心策略，以协调高产与环境保护的矛盾。