不同有机肥料改善土壤团聚体后，微生物和土壤碳库响应的机制

《Journal of Environmental Management》：The mechanisms of microbial and soil carbon pool responses to soil aggregates improvement by different organic fertilizers

土壤有机肥料添加对团聚体结构、微生物群落及碳库的影响研究。通过两年田间试验发现，添加高碳基肥（CHB）显著提高土壤pH、速效磷钾含量及酶活性，促进大团聚体（>2mm）形成，微生物群落向K型策略转变，与团聚体稳定性呈正相关，SEM证实微生物生命策略主导团聚体结构变化。

　　本研究围绕有机肥对土壤结构、微生物群落及土壤碳库的影响展开，通过两年的田间试验，深入探讨了不同有机材料添加后对土壤质量的改善效果。研究团队包括Wu Yunjie、Dong Minghao、Wang Yong、Yu Xinmiao、Wang Zekai和Ye Xiefeng，他们来自中国烟草工业烟草栽培重点实验室、国家烟草栽培与生理生化研究中心以及河南农业大学烟草科学学院。实验地点位于中国重庆市万州区古路镇清龙村，属于亚热带暖湿季风气候，年均气温20℃，年均降水量1550毫米，无霜期200天，年均日照时数4320小时。这一地理与气候背景为研究土壤在不同有机肥处理下的变化提供了重要的环境条件。

土壤作为农业生产的基础，其物理结构和生物特性在保障农业生产的稳定性方面发挥着至关重要的作用。然而，随着农业中化学肥料的大规模使用，土壤的物理结构和生物特性逐渐恶化。这种恶化不仅影响了农业的发展，也降低了作物的产量。同时，单一肥料结构导致土壤有机碳的过度消耗，进一步加剧了土壤物理和生物特性的退化。有机碳是微生物繁殖和土壤结构形成的关键物质，其过度消耗加速了土壤退化过程。因此，如何通过有机肥的合理使用来改善土壤质量，成为当前农业可持续发展的重要议题。

近年来，大量研究关注于通过有机肥的施用改善土壤团聚体的形成。研究表明，有机材料的添加不仅能够通过逐步分解形成不同粒径的土壤团聚体，还能够为植物根系和土壤微生物提供额外的养分，从而促进土壤胶结物质的形成。这些研究显示，不同类型的有机材料在改善土壤结构方面表现出相似的效果。例如，生物炭的施用可以增强土壤团聚体的稳定性，促进土壤结构的改善，并提升土壤的持水能力和养分供应能力。此外，长期施用有机肥已被证明可以促进土壤团聚体中有机碳的积累，特别是通过甲氧基/氮烷基碳和羧基碳等功能基团，从而改善和稳定大团聚体的形成。因此，有机肥的施用在改善土壤结构方面具有显著的积极作用。

土壤结构的变化与土壤有机碳的动态密切相关，而土壤微生物群落的结构则是这一变化的主要驱动力。微生物群落的结构不仅影响土壤有机碳的含量，还决定了不同微生物类群的繁殖速率和模式。微生物群落的变化通常与有机材料的添加有关，它们在土壤中展现出不同的演替规律。一些研究指出，有机材料的添加可以促进微生物演替中不确定过程的比例增加，从而影响微生物群落的稳定性。此外，有机材料的施用也会影响微生物的生活史策略，即微生物在土壤中的生长方式和适应性。例如，一些研究表明，有机材料的添加可能促进微生物生活史策略向r策略转变，而当有机材料类型发生变化时，微生物的生活史策略可能转向K策略。r策略微生物具有快速生长和适应富营养环境的特点，而K策略微生物则以缓慢生长和适应贫营养环境为主。因此，不同类型的有机材料对微生物群落的影响具有显著差异。

本研究旨在通过田间试验，从以下几个方面深入探讨有机肥对土壤质量的影响：首先，分析不同有机材料添加对土壤团聚体形成的影响因素；其次，探讨土壤团聚体内部有机碳功能基团的变化对团聚体形成的影响；最后，研究微生物群落的演替和生活史策略变化对土壤团聚体形成的作用。研究假设，有机肥的施用可以有效提高土壤中大团聚体和中团聚体的比例，从而改善土壤结构。同时，有机肥的施用可能促使土壤微生物群落的生活史策略向K策略转变，从而促进土壤团聚体的形成。此外，研究还假设，有机肥的施用会促使部分土壤微生物从r策略向K策略转移，从而影响微生物群落的结构和功能。

在田间试验中，研究团队对不同有机肥处理下的土壤常规肥力指标进行了系统分析。结果显示，2020年和2021年，所有处理土壤的pH值均在6.26至7.25之间，但不同处理组之间的pH值存在显著差异。在2020年，CMO（化学肥料+蘑菇残渣有机肥）和CHB（化学肥料+高碳基有机肥）组的土壤pH值显著高于CF（化学肥料）组（P<0.05），同时CMO组的土壤pH值也显著高于CBO（化学肥料+生物有机肥）组（P<0.05）。然而，在2021年，CF、CMO、CHB和CBO组之间的土壤pH值差异不显著（P<0.05）。这一结果表明，有机肥的施用对土壤pH的影响具有时间依赖性，可能与土壤环境的变化和有机材料的分解过程有关。

土壤pH是评价土壤质量的重要指标之一，它不仅影响植物对养分的吸收能力，还对土壤微生物群落的结构和功能产生深远影响。研究发现，三种有机肥处理（CMO、CHB和CBO）下的土壤pH值均呈现出上升趋势，这与以往的研究结果一致，表明有机肥的施用可以在一定程度上改善酸性土壤。这一现象可能与有机肥中有机质的分解和释放有关，有机质的增加可以缓冲土壤酸碱度，从而改善土壤环境。因此，有机肥的施用不仅能够改善土壤的化学性质，还能够通过调节土壤pH值，促进土壤微生物群落的多样性。

此外，研究还发现，有机肥的施用显著提高了土壤的机械稳定性，并增加了水稳性大团聚体（>2毫米）的含量。同时，土壤团聚体中的有机碳含量也得到了显著提升。其中，CMO处理组在水稳性大团聚体含量方面表现最佳。这表明，不同类型的有机肥对土壤团聚体的形成具有不同的促进作用，可能与有机材料的化学组成和结构有关。例如，蘑菇残渣有机肥可能含有更多的纤维素和半纤维素，这些物质在土壤中可以促进团聚体的形成和稳定。而高碳基有机肥可能含有更多的碳源，这些碳源可以促进微生物的生长和代谢，从而间接影响土壤团聚体的形成。

微生物群落的结构和功能对土壤团聚体的形成具有重要影响。研究发现，CMO、CHB和CBO处理组的微生物群落生活史策略发生了显著变化，其趋势逐渐向K策略转变。K策略微生物具有较慢的生长速率，但能够更有效地利用土壤中的养分，从而促进土壤团聚体的形成。同时，微生物群落的演替模式也发生了变化，某些微生物类群的比例增加，而另一些则减少。这种变化可能与有机材料的添加有关，不同类型的有机材料可能影响不同微生物类群的生长和繁殖。例如，蘑菇残渣有机肥可能促进某些特定微生物的生长，而高碳基有机肥可能对另一些微生物产生更大的影响。

研究还发现，微生物互作网络在MO（蘑菇残渣有机肥）和HB（高碳基有机肥）处理组中表现出明显的复杂性增加趋势。这表明，不同类型的有机材料可能影响微生物之间的相互作用，从而改变微生物群落的结构和功能。微生物互作网络的复杂性可能与微生物群落的多样性有关，微生物群落的多样性越高，其互作网络的复杂性也越强。因此，有机肥的施用不仅能够改善土壤的化学性质，还能够通过促进微生物群落的多样性，增强土壤的生态功能。

扫描电镜（SEM）分析进一步揭示了微生物生活史策略在土壤团聚体结构变化中的主导作用。研究发现，微生物的生活史策略与土壤团聚体的形成和稳定性密切相关。例如，K策略微生物的增加可能促进了土壤团聚体的形成，而r策略微生物的减少可能影响了土壤团聚体的稳定性。因此，微生物的生活史策略不仅是土壤团聚体形成的重要因素，还可能影响土壤的整体质量。这一发现为未来研究如何通过有机肥的施用调节土壤微生物群落和土壤结构提供了新的视角。

综上所述，本研究通过两年的田间试验，系统分析了不同有机材料对土壤质量的影响。研究结果表明，有机肥的施用能够有效改善土壤的物理和化学性质，提高土壤的机械稳定性和水稳性大团聚体的含量，促进土壤有机碳的积累。同时，有机肥的施用显著改变了土壤微生物群落的生活史策略，使其向K策略转变，从而促进了土壤团聚体的形成。这些结果不仅揭示了有机肥对土壤质量的改善机制，还为未来研究如何通过有机肥的合理使用来调节土壤微生物群落和土壤结构提供了重要的理论依据。此外，研究还发现，不同类型的有机材料对土壤团聚体的形成具有不同的影响，这可能与有机材料的化学组成和结构有关。因此，未来的研究需要进一步探讨不同有机材料对土壤质量的具体影响机制，以期为农业生产提供更加科学的施肥建议。