《Applied Soil Ecology》：Biological and mineral amendments synergistically coordinate soil micro-food web to enhance multifunctionality
编辑推荐：
土壤微食物网结构与多功能性受生物/矿物改良剂及耕作方式协同影响研究。微生物接种剂和飞灰显著改善土壤结构稳定性、营养水平及食物网复杂性，联合应用增效达14.6-15.7%。有机改良剂和深翻耕作无显著作用。研究揭示整合生物与矿物改良剂是提升土壤健康和农业可持续性的有效策略。
朱柏林|陈华秀|李涵|朱强|谭文峰|冯娇|刘玉荣
华中农业大学农业微生物国家重点实验室，武汉，430070，中国
摘要
土壤食物网中的多种营养级群体驱动着各种生态系统功能。然而，目前尚不清楚多营养级相互作用及其相关的多功能性如何响应综合农业管理措施，特别是矿物和生物改良剂的结合使用。在这项研究中，我们进行了多因素交互实验，以探讨必需的生物（微生物接种剂）、矿物（粉煤灰添加）、有机改良剂以及耕作方式（传统耕作与深度耕作）对土壤微食物网结构和土壤多功能性的影响。结果表明，微生物接种剂和粉煤灰的添加显著影响了土壤微食物网的结构并增强了土壤的多功能性，而有机改良剂和深度耕作则没有显著效果。具体来说，微生物接种剂提高了土壤结构的稳定性，减少了植物病原真菌的比例，同时增强了土壤微食物网的复杂性。相比之下，粉煤灰增加了土壤养分和捕食性原生动物的相对丰度，并加强了土壤食物网复杂性与多功能性之间的联系。值得注意的是，微生物接种剂和粉煤灰的联合应用对食物网复杂性和多功能性均产生了协同效应（增加了14.6–15.7%）。这些协同效应主要通过改善土壤物理结构和养分水平实现，同时减少了有害微生物的比例，并增加了高等营养级的土壤生物。总体而言，我们的发现强调了将生物和矿物改良剂结合使用作为一种协同管理策略的潜力，以增强土壤的多营养级复杂性和多功能性，从而为优化多样化土壤管理措施、改善土壤健康和支持可持续农业提供了新的理论基础。
引言
全球人类人口依赖于外部合成肥料的集约化农业，长期的集约化土地利用导致了土壤退化，包括有机质流失、肥力下降和结构破坏（Sanderman等人，2017；Singh等人，2020）。此外，不恰当的农业管理减少了土壤生物多样性，并破坏了食物网的稳定性，往往对有益的营养级群体产生负面影响，而有利于害虫和病原体（Felipe-Lucia等人，2020；Lekberg等人，2021；Liu等人，2025）。生物多样性的丧失进一步削弱了农田利用水资源和养分等多种资源的效率，从而限制了农业生产力（Buzhdygan等人，2020）。为了应对未来的气候、经济和社会挑战，需要采取可持续的农业管理措施来恢复土壤质量并维持生态系统功能（Cassman和Grassini，2020；Wittwer等人，2021）。可以通过增加外部投入（例如生物、矿物和有机改良剂）或改变田间管理方式（例如耕作方式）来改善土壤栖息地，这两种方法都可能刺激地下生物多样性并促进生物地球化学循环（Robinson等人，2024）。例如，有机改良剂可以增加地上生物量，同时增强地下生物多样性（Shi等人，2024）。同样，接种合成微生物群落也有潜力增强有机氮的矿化和磷的移动（Wang等人，2025）。然而，不同土壤改良剂和耕作方式如何调节土壤生物多样性与土壤功能之间的关系仍不清楚。
生态集约化农业通过调节土壤群落结构，实现了土壤生态系统的多种功能（即土壤多功能性）。土壤生物作为各种生态系统过程的默默盟友，不同的营养级群体通过竞争、利用和捕食等生理行为直接或间接地相互作用，从而形成复杂的食物网（Delgado-Baquerizo等人，2020；Wang等人，2024）。土壤食物网的特征，如结构和复杂性，可以强烈预测和影响物质和能量流动，从而对应于关键土壤功能，如初级生产和养分循环（Potapov，2022；van Bommel等人，2024）。近年来，越来越多的研究关注人为管理措施如何调节土壤食物网结构以增强土壤多功能性（Wan等人，2022；Zhu等人，2024）。由于土壤生态系统的固有复杂性，大多数研究仅考察了单一或成对农业管理措施的效果，而关于多种措施对土壤生物网络结构和生态功能综合影响的实证证据仍然有限（Hu等人，2021；Luo等人，2023）。这一知识空白限制了我们理解多个因素如何共同调节复杂系统中土壤生态过程的能力，并阻碍了制定现实和具有韧性的管理策略以应对气候变化下的土壤健康问题。
各种土壤改良剂从不同的角度改善土壤生物和生态过程，针对土壤环境的不同方面。例如，生物改良剂如微生物接种剂引入有益的微生物群落，可以与本地微生物建立协同作用，从而促进其生长并重塑群落结构（Li等人，2024a）。有机改良剂主要通过提供碳资源、改善土壤物理结构和增强养分有效性来促进微生物生物量和活性（Wang等人，2021）。此外，矿物改良剂如粉煤灰不仅改善了土壤物理结构（包括降低土壤容重、增加土壤孔隙度和提高持水能力），还提供了植物生长所需的大量养分和微量元素（Sch?negger等人，2018；Song等人，2020）。值得注意的是，这些改良剂的联合应用可能会产生协同效应。证据表明，特定的微生物接种可以通过养分溶解、生物固氮和扩展有效根系吸收区显著促进植物生长和养分吸收（Jala和Goyal，2006；Hussain和Faizan，2023）。此外，有机肥料可以与微生物接种剂产生协同作用，因为有机投入为微生物提供了碳源和栖息地，而微生物则加速了有机物的矿化和养分释放，共同提高了植物生产力并改善了土壤健康（Qi等人，2021；Al Methyeb等人，2023）。鉴于土壤改良剂之间的复杂相互作用，它们的联合应用可能在增强土壤食物网复杂性和多功能性方面更为有效。
耕作方式通过改变土壤改良剂的空间分布和可用性来影响其效果。与传统耕作相比，深度耕作对土壤结构的扰动更大，降低了底土的容重，从而促进了根系的深入渗透，并为微生物相互作用创造了额外的生态位（Sui等人，2023；Hu等人，2024）。此外，深度耕作改善了土壤的通气性和水分渗透性，促进了有机物和养分在土壤层间的垂直再分配（Gu等人，2020）。这些变化重塑了土壤微环境，促进了厌氧微生物的生长和活动，并改变了碳和养分底物的可利用性（Islam等人，2023）。先前的研究表明，将土壤改良剂与深度耕作结合使用可以增强土壤微生物活性并提高作物生产力（Chen等人，2020；Ding等人，2021）。目前尚不清楚这些措施是否以及通过何种机制重新组织了整个土壤剖面的多营养级土壤食物网，以及这种重构如何转化为生态系统多功能性。为了解决这些问题，本研究进行了一个多因素田间实验，结合了生物、矿物和有机改良剂以及不同的耕作方式（即传统耕作和深度耕作）。通过将土壤食物网分析与土壤功能的全面评估相结合，本研究旨在厘清主要效应和交互效应，并阐明管理引起的食物网结构重构如何转化为生态系统多功能性。我们假设：（1）与单一改良剂相比，结合两种或三种改良剂可以协同改善土壤结构、养分可用性和微生物生长，从而增强土壤食物网的复杂性和多功能性；（2）与传统耕作相比，将深度耕作与土壤改良剂结合使用通过改善土壤物理结构为微生物提供了更多生态位，从而支持更高的土壤食物网复杂性和多功能性。这些发现加深了我们对多营养级复杂性与生态系统多功能性之间耦合的理解，并为农业管理策略的科学优化和精确配置提供了实证基础。
实验设计与地点
本研究在中国湖北省咸宁市双溪桥镇进行（29°58′9″N，114°30′47″E），该地区具有典型的亚热带大陆性季风气候，年平均降水量为1577毫米，年平均温度为17摄氏度。根据世界参考基地（IUSS工作组WRB，2014）的分类，该地区的土壤属于棕壤，其质地为粘壤土，由263克/千克的沙子、468克/千克的粉砂和269克/千克的粘土组成。实验前，该土壤呈酸性
土壤功能
微生物接种剂或粉煤灰的添加显著影响了作物产量、土壤养分循环和土壤多功能性，而单独添加微生物接种剂显著影响了土壤碳循环（图1a）。耕作管理和有机改良剂对土壤功能或多功能性没有显著影响。耕作管理、有机改良剂、微生物接种剂和粉煤灰添加之间没有观察到显著的交互效应微生物接种剂和粉煤灰可以在短期内促进土壤多功能性
在这项单季田间研究中，只有微生物接种剂和粉煤灰显著增强了土壤多功能性，而深度耕作和有机改良剂则没有显著效果。微生物接种剂可能通过引入有益微生物（如枯草芽孢杆菌和丛枝菌根真菌）来增强土壤多功能性，这些微生物可以迅速增加养分可用性、刺激酶活性并增强根系养分吸收，从而加速碳
结论
我们得出结论，微生物接种剂和粉煤灰的添加可以通过协调土壤微食物网的结构和复杂性来增强土壤多功能性，其中联合应用的效果最为显著。在添加微生物接种剂的情况下，土壤多功能性的提高主要与植物病原体的减少和土壤食物网复杂性的增加有关，而粉煤灰添加的积极作用则与更高丰度的微生物有关
作者贡献声明
朱柏林：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，方法学，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。陈华秀：调查，数据管理。李涵：调查，数据管理。朱强：验证，监督，概念化。谭文峰：监督，方法学，概念化。冯娇：写作 – 审稿与编辑，监督，方法学，调查，概念化。刘玉荣：写作 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了湖北省重大科技项目（2023BBA003）、国家自然科学基金（42507411）、中国博士后科学基金（2025M772521）以及CPSF博士后奖学金计划（GZC20251632）的支持。
