长期施用有机物质后红稻田中的碳-磷耦合：时间动态及含pqqC细菌的作用

《Journal of Advanced Research》：Carbon–phosphorus coupling in reddish paddy fields under long-term organic material input: Temporal dynamics and the role of pqqC-harboring bacteria as a driver

长期有机物料（猪粪和秸秆）输入显著影响稻田土壤碳-磷耦合，机制涉及酶活性和pqqC阳性微生物群。猪粪持续增加SOC和P有效性，秸秆在43年后显著提升Olsen-P和PAC。酶活性与微生物代谢限制（CUE和EMF）相关，pqqC基因丰度和相关菌群驱动P活化。结论强调有机物料对土壤质量和农业生产的长期积极影响。

　　在长期有机物料输入的影响下，土壤有机碳（SOC）和磷（P）的动态变化以及微生物机制在农业生产中具有重要的意义。本研究聚焦于长期施用猪粪和稻草还田对稻田土壤SOC和P含量的影响，并探讨了这些变化与微生物代谢和基因表达之间的关系。通过对不同处理方式（包括无肥对照、无机肥、有机肥+无机肥、无机肥+磷肥、稻草+无机肥）的长期观察，研究揭示了SOC与P循环之间的复杂联系，并进一步分析了微生物在其中扮演的关键角色。

SOC作为农业生态系统中营养循环和土壤性质的重要组成部分，其变化对土壤肥力和作物生长具有深远影响。SOC可以分为不同的组分，如颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC），这些组分不仅反映了土壤碳的稳定性，还与土壤磷的可利用性密切相关。在本研究中，长期施用猪粪显著提升了SOC的含量，尤其是在30年和43年后，SOC含量呈现明显上升趋势。相比之下，稻草还田在短期内对SOC的影响有限，但在43年后显著增加了SOC的含量。这种差异可能与两种有机物料的性质和微生物分解速率有关。猪粪含有丰富的可溶性磷和氮，能够迅速提升土壤中养分的可利用性，从而促进微生物活动和碳的积累。而稻草富含纤维素和木质素等难以降解的碳源，其对SOC的贡献需要更长时间的分解过程。

磷作为作物生长的关键营养元素，其在土壤中的可利用性直接影响农业生产力。然而，土壤中磷的可利用性通常较低，只有不到0.1%的无机磷（Pi）和有机磷（Po）能够被植物直接吸收。在长期有机物料输入的条件下，土壤磷的可利用性得到了显著提升。猪粪的持续施用不仅增加了土壤中可溶性磷的含量，还通过促进微生物活动间接提升了磷的可利用性。稻草的长期还田虽然在早期对磷的影响有限，但随着时间推移，其作用逐渐显现，特别是在43年后，稻草还田显著增加了磷的可溶性形式。这种现象可能与稻草中有机磷的缓慢矿化过程有关，有机磷在长期施用后逐步转化为可利用的磷，从而提升了土壤磷的总含量和可溶性磷的比例。

土壤酶活性是评估土壤生物化学过程和微生物代谢活动的重要指标。研究发现，碳获取酶（C-acq）的活性在长期有机物料输入后呈现出逐渐上升的趋势，尤其是在猪粪处理下，这种趋势更为明显。这表明猪粪中的丰富碳源刺激了微生物的生长和代谢活动。相比之下，稻草还田对C-acq酶活性的影响在43年后才变得显著，可能是因为稻草中的复杂有机化合物需要更长时间才能被微生物分解和利用。氮获取酶（N-acq）和磷获取酶（P-acq）的活性变化则更为复杂，与土壤中氮和磷的供应状况密切相关。例如，稻草还田在30年后显著降低了氮获取酶的活性，这可能与土壤中氮的供应减少有关。而磷获取酶的活性在长期施用后也经历了波动，这与土壤磷的可利用性变化相呼应。

微生物群落结构的变化对土壤碳和磷循环具有重要影响。研究发现，长期施用猪粪和稻草显著改变了土壤中携带pqqC基因的微生物群落组成。pqqC基因编码吡咯喹啉醌合成酶，这种酶在磷的活化和可利用性调节中起着关键作用。通过基因拷贝数的测定和高通量测序分析，研究者发现猪粪显著增加了pqqC基因的拷贝数，而稻草还田则在一定程度上促进了特定微生物群落的生长。这种微生物群落的改变不仅影响了磷的活化，还通过调节酶活性和土壤碳组分间接影响了磷的可利用性。

此外，研究还发现，土壤中微生物的碳利用效率（CUE）和生态系统多功能性（EMF）在长期有机物料输入下发生了显著变化。CUE的下降可能与微生物代谢效率的降低有关，而EMF的提升则反映了土壤生态系统的功能增强。这种CUE与EMF之间的负相关关系表明，微生物代谢效率的提升可能以牺牲其多样性为代价，从而影响土壤生态系统的稳定性。然而，这种趋势在不同处理间存在差异，说明有机物料的种类和施用方式对微生物群落和代谢活动具有不同的调控作用。

长期有机物料输入对土壤磷活化的影响是通过复杂的微生物机制实现的。研究指出，SOC的变化、微生物CUE、EMF以及pqqC基因携带的微生物群落共同作用，调节了土壤中磷的活化过程。其中，Olsen-P和C-acq酶活性是影响磷活化系数（PAC）的关键因素。通过结构方程模型（SEM）的分析，研究者发现SOC和P的动态变化不仅受到直接的化学过程影响，还受到微生物代谢活动的间接调控。例如，SOC的变化通过影响EMF，进而调控C-acq酶活性和磷的活化形式，最终影响PAC的值。这种复杂的相互作用揭示了土壤碳和磷循环之间的紧密联系。

综上所述，长期施用有机物料，如猪粪和稻草，对稻田土壤的碳和磷循环具有深远影响。猪粪能够显著提升SOC和磷的可利用性，而稻草还田在长期施用后也表现出对磷活化的重要贡献。这些变化不仅受到有机物料本身性质的影响，还与微生物群落的组成和活动密切相关。未来的研究应进一步探索不同有机物料的施用方式和比例，以优化土壤质量和农业生产效率。同时，微生物在调节磷活化和土壤碳动态中的作用值得深入研究，这有助于更有效地管理土壤养分循环和提高农业可持续性。