有机肥替代模式下土壤碳代谢与固碳能力的微生物驱动机制

为揭示有机肥替代化学肥对土壤碳固持的微生物机制，研究人员通过田间试验比较不同施肥模式（CF/MF/AF/WF/CK）对土壤碳库、CAZymes基因及微生物代谢的影响。研究发现低比例有机肥替代（MF）通过平衡养分结构提升几丁质降解效率，而根际假单胞菌门（Pseudomonadota）在有机碳固定中起关键作用。该研究为优化施肥策略以提升土壤固碳潜力提供了理论依据。

　　

在应对全球气候变化与粮食安全的双重挑战下，如何通过农业管理措施提升土壤碳汇功能成为研究热点。中国实施的"化肥零增长政策"推动了有机肥替代模式的应用，但长期以来，关于有机肥如何通过微生物介导机制影响土壤碳固持仍缺乏系统认知。传统研究多聚焦单一碳积累或无机碳固定过程，而忽视了两者的耦合关系。此外，不同比例有机肥替代对碳水化合物活性酶（CAZymes）基因谱的影响及其与碳代谢限制的关联机制尚不明确。

针对这些科学问题，广西某研究团队在南宁市武鸣区甘蔗田开展田间试验，设置化学肥（CF）、低比例有机肥替代（MF）、高比例有机肥替代（AF）、纯有机肥（WF）及不施肥对照（CK）5种处理，结合宏基因组学与酶活性分析，探究了土壤碳库变化与微生物驱动机制。研究成果发表于《Applied Soil Ecology》。

研究采用的关键技术包括：1）田间定位试验结合土壤碳库分级（如易降解颗粒有机碳POC）；2）宏基因组测序解析碳固定基因（如Calvin-cycle、3-HP/4-HB循环）和降解基因（GHs、AAs等CAZymes）；3）结构方程模型量化微生物代谢限制与碳利用效率（CUE）的驱动因素；4）土壤质量指数（SQI）多维度评价体系。

研究结果

1. 不同施肥模式对土壤碳库的影响
化学肥（CF）显著促进植物源碳降解，而有机肥处理（MF/AF/WF）将外源碳主要储存于POC中。低比例替代（MF）通过优化碳氮磷化学计量比，刺激大块土壤中几丁质降解基因表达，提升碳源利用效率。

2. CAZymes基因谱的响应特征
有机肥输入增加细菌源碳降解基因（如GH18家族几丁质酶）丰度。根际假单胞菌门（Pseudomonadota）在MF处理中特异性富集，其携带的rTCA循环基因与有机碳固持呈正相关。

3. 微生物代谢限制的调控机制
结构方程模型显示，碳降解基因（路径系数0.61）和碳代谢限制（-0.67）对CUE的直接影响远超土壤性质（0.09）。MF处理通过缓解碳限制（C-acquisition酶活性提升32%）优化微生物代谢网络。

结论与意义
该研究首次阐明有机肥替代模式下"微生物碳泵"的双路径驱动机制：低比例替代（MF）通过平衡养分激发CAZymes基因表达，促进顽固性碳（如几丁质）转化；而根际Pseudomonadota通过rTCA循环增强碳固定。这一发现为精准调控施肥比例以协同提升土壤质量和固碳潜力提供了理论依据，对实现农业碳中和目标具有重要实践价值。研究创新性地将化学计量学理论与微生物功能基因网络结合，为土壤碳循环研究提供了新范式。