在长期施肥条件下，微生物特性影响着土壤有机碳的功能组成

《Applied Soil Ecology》：Microbial traits mediate the functional components of soil organic carbon under long-term fertilization

土壤微生物碳利用效率（CUE）与碳泵效度（MCP）对长期施肥下不同土壤养分梯度下有机碳（POC、MAOC）积累的影响机制研究。通过33年氮磷钾矿物肥与矿物有机复合肥的对比试验，结合18O标记、氨基酸糖生物标志物及宏基因组分析，发现营养丰富的土壤中CUE提升48.48%促进颗粒有机碳（POC）积累，而营养贫瘠土壤中CUE（100%）和MCP（45.34%）协同增强矿物结合有机碳（MAOC）。初始土壤养分水平通过调控微生物代谢基因（如CAZymes）与碳氮磷比值，驱动CUE和MCP的差异化响应，进而影响POC和MAOC的分配格局。

　　

袁艳红|张家昌|冯占荣|张琪|赵子涵|李强|张水清|魏 Gehong|韩新慧|徐明刚|蔡安东|任成杰

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学农学院

摘要

在长期施肥条件下，微生物的生理特性是决定土壤有机碳（SOC）积累的关键因素，然而它们对碳（C）和养分梯度的适应性以及相应的碳反馈效应仍很大程度上未被探索。本研究在两种不同的土壤类型（养分丰富型与养分贫瘠型）上进行了为期33年的田间实验，实验采用了矿物肥料和矿物-有机复合肥料（NPKM）施肥方式。通过¹⁸O-H₂O示踪方法和氨基糖生物标志物分析技术，研究了微生物碳利用效率（CUE）和微生物碳泵效能（MCP）的变化趋势，并结合宏基因组分析及环境变量，阐明了长期施肥对这些微生物特性的内在和外在影响。结果表明，不同土壤类型对NPKM的反应存在差异：与对照组（CK）相比，NPKM使养分丰富型土壤中的颗粒有机碳（POC）增加了130%，而矿物相关有机碳（MAOC）增加了33.46%；相比之下，养分贫瘠型土壤中仅MAOC显著增加了80.86%。进一步分析证实，长期施肥下微生物的生理特性驱动了POC和MAOC的变化，这种变化取决于土壤的养分状况。具体而言，在养分贫瘠型土壤中，NPKM通过提高CUE（100%）和MCP（45.34%）促进了MAOC的增加，这一效应由碳降解相关功能基因介导；而在养分丰富型土壤中，NPKM通过提升CUE（48.48%）促进了POC的增加，这一过程受非生物因素调控。这些发现表明，初始养分水平调节了微生物的生理特性，进而决定了不同碳分组的积累动态，为 targeted agricultural C 管理策略提供了理论基础。

引言

耕地占地球陆地表面的13%，是土壤碳（C）封存的关键目标（Zhou等人，2021年）。恢复耕地中的土壤有机碳（SOC）对于促进可持续农业和缓解全球变暖至关重要（Li等人，2024年）。值得注意的是，土壤碳并非均匀分布的成分，可分为两大类：颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）。阐明这些不同碳组分的变化动态有助于深入理解土壤碳对农业管理措施的响应（Liu等人，2024年；Wu等人，2024年）。SOC组分的变化高度依赖于微生物的适应性（Li等人，2024年；Yang等人，2025年），这一过程涉及调节两个关键微生物功能特性的生理调整：微生物碳利用效率（CUE）——定义为同化碳中用于生物量增长的比例（Chen等人，2020年）；以及微生物碳泵效能（MCP）——微生物死细胞碳与总SOC积累的比率（Liang等人，2017年）。通常情况下，较高的MCP有助于增加MAOC中的碳储存（Zhu等人，2020年），而较高的CUE则增强微生物产生的有机碳合成，从而促进POC的积累。因此，建立人为影响（如施肥制度）与微生物功能特性（CUE/MCP）之间的联系对于追踪土壤碳的命运、阐明耕地SOC组分的动态以及最终制定优化的SOC管理策略至关重要。

先前的研究表明，微生物功能基因的变化与微生物碳代谢的转变有关（Tian等人，2024年；Xiao等人，2024年；Yu等人，2025年），这些变化又决定了微生物生理特性（如CUE、MCP）对施肥的响应程度和方向（Li等人，2022年）。例如，最近的研究提出，微生物的生活史策略会调节氮（N）管理下的MCP效能；此外，微生物的CUE和死细胞碳含量会随着与微生物生长潜力相关的基因相对丰度的增加而增加，但会随着编码参与有机物降解的碳水化合物活性酶（CAZymes）基因的富集而减少（Tian等人，2024年；Yang等人，2024年）。尽管如此，土壤微生物特性对长期施肥的响应仍存在很大不确定性，这主要是由于微生物代谢功能基因对初始SOC和养分水平的响应具有变异性（Yang等人，2024年）。在碳和养分供应较低的土壤中，氮肥的施用可能导致微生物资源需求与土壤资源供应之间的化学计量不平衡（碳：氮比例低），从而使微生物将更多资源用于维持代谢，进而降低CUE（Liu等人，2025年）。相反，在碳和养分含量较高的土壤中，氮肥的施用可以满足微生物的养分需求，为微生物生物量合成提供养分和能量，从而提高CUE和MCP（Chen等人，2020年；Sinsabaugh等人，2016年；Yang等人，2024年）。因此，阐明不同养分梯度下微生物生理特性对施肥的响应对于揭示土壤碳动态的调控机制至关重要。

此外，微生物死细胞碳和CUE的积累受到土壤养分可用性的共同调节，而这种调节又可通过不同的施肥方式（如矿物肥料与有机肥料）显著改变（Chen等人，2020年；Wu等人，2022年）。通常，长期施用矿物肥料会加剧化学计量不平衡（碳：氮和碳：磷的比例）（Yuan等人，2019年），而有机肥料则同时提供碳、氮、磷和其他养分，从而为微生物增殖创造更有利的微环境（Li等人，2015年）。与此一致的是，施用有机肥料的土壤通常比仅施用矿物肥料的土壤具有更高的CUE（Xiao等人，2021年；Zhran等人，2020年）。在化学计量平衡的有机施肥土壤中，微生物用于维持细胞碳：养分稳态的能量较少（Wu等人，2022年）。这种代谢优化促进了死细胞碳的形成（Foley等人，2024年），从而提高了MCP的积累效率（Liang等人，2017年）。因此，资源可用性的变化调节了微生物的生长和代谢途径，从根本上决定了化学或有机施肥条件下微生物特性的变化轨迹（Lyu等人，2025年；Silva-Sánchez等人，2019年）。尽管越来越多的人认识到施肥会改变微生物特性，但在长期施肥条件下，初始SOC和养分水平、微生物生理属性（如CUE、MCP、代谢功能基因）与SOC组分之间的相互关系仍不明确。解开这些复杂联系对于深入理解土壤碳封存机制至关重要。

为填补这一研究空白，我们进行了一项为期33年的长期农业实验，研究了两种不同类型的土壤（养分丰富型与养分贫瘠型），并采用了三种施肥方案：（i）不施肥的对照组（CK）；（ii）仅施用矿物肥料（NPK）；（iii）矿物肥料与有机肥料复合施用（NPKM）。通过两个实验站的数据，我们采用了多种分析方法，包括：微生物碳功能基因的宏基因组分析、不依赖底物的¹⁸O标记技术来量化CUE，以及氨基糖生物标志物分析来评估MCP。我们假设：（1）在长期施肥条件下，养分丰富型和养分贫瘠型土壤中的微生物CUE和MCP会显著增加，这是由于碳源和养分的增加；（2）微生物生理特性的动态受到内在微生物功能基因和外在环境因素的共同调节；（3）微生物生理特性分别决定了养分丰富型和养分贫瘠型土壤中POC和MAOC对SOC的相对贡献。

实验地点描述与设计

两项长期施肥实验分别在以下地点进行：（1）吉林省农业科学院的公祖岭实验站（GZL；43.54°N，124.86°E），位于吉林省公祖岭市；（2）河南省农业科学院的河南现代农业研发基地（ZZ；34.78°N，113.67°E），位于河南省郑州市。这两个地点分别属于温和温带半湿润和暖温带半湿润气候类型。

长期施肥下土壤微生物CUE和MCP的变化趋势

与对照组相比，长期施肥显著提高了两种土壤类型（养分丰富型和养分贫瘠型）中的微生物CUE（图1a，p < 0.05）。具体而言，在施用矿物肥料的情况下，微生物CUE分别增加了24.24%和60.00%；而在施用矿物肥料与有机肥料复合的情况下，分别增加了48.48%和100%。此外，微生物死细胞碳的含量分别增加了1.23克/千克和0.74克/千克。

讨论

与我们的假设一致，长期施肥显著提高了微生物的CUE和MCP。特别是在养分贫瘠型土壤中，施用矿物肥料与有机肥料复合时，CUE和MCP的增加最为显著（图1）。矿物肥料与有机肥料的复合施用显著缓解了养分贫瘠型土壤中的资源限制，促进了微生物的旺盛生长和生物量的积累。

结论

研究表明，长期施肥显著提高了微生物的CUE和MCP，尤其在施用矿物肥料与有机肥料复合的养分贫瘠型土壤中效果更为明显。初始的碳和养分水平是调节SOC积累路径的关键因素。具体而言，土壤养分可用性影响了微生物CUE的变化：在养分丰富型土壤中，微生物CUE促进了POC的积累；而在养分贫瘠型土壤中，复合施肥方案则发挥了更明显的作用。

作者贡献声明

袁艳红：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，正式分析。 张家昌：数据可视化，数据管理。 冯占荣：数据可视化，数据管理。 张琪：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。 赵子涵：撰写 – 审稿与编辑。 李强：资源协调，调查工作。 张水清：资源协调，调查工作。 魏 Gehong：方法学研究。 韩新慧：项目监督，方法学研究。 徐明刚：资源协调，方法学研究。 蔡安东：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD2300500）和中国国家自然科学基金（项目编号42377345）的支持。