《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Impacts of long-term fertilizer reduction and organic substitution on microbe-mediated multi-nutrient in agricultural ecosystems
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土壤有机碳累积与微生物群落互作机制研究：长期有机替代显著提升土壤理化性质及养分循环效率，通过调控古菌和细菌丰度，促进木糖-李氏德巴赫途径碳固定，抑制甲烷生成及硫酸氧化功能，同时增强有机磷矿化能力并抑制氮素固化和硝化作用。
李振岭|应家伟|何晓康|李阳阳|单光春|冯成洪|丁明军|黄高翔|刘佳
中国江西省南昌市江西师范大学地理与环境学院，教育部鄱阳湖湿地与流域研究重点实验室，邮编330022
摘要
有机肥的施用是提高土壤有机质（SOM）最有效的策略之一，但农业集约化程度的增加导致有机碳流失加剧，这成为一个亟待解决的问题。然而，关于长期减少化肥使用并替代为有机肥对农业生态系统中微生物介导的多养分（C、N、P、S）循环的影响知之甚少，尤其是在绿肥和传统粪肥交替使用的情况下。本研究通过宏基因组分析，探讨了减少化肥使用和替代为有机肥对土壤物理化学性质、微生物群落结构及养分循环过程的影响。结果表明，与仅使用化学肥料相比，有机肥与化学肥料混合施用的土壤中有机质含量、pH值、有效磷含量、总氮含量及阳离子交换容量显著增加（p<0.05）。这些变化导致了微生物群落结构的显著差异，并使得某些古菌和细菌类群的富集程度发生变化。此外，减少化学肥料使用和替代为有机肥能够改变土壤养分循环：通过Wood-Ljungdahl途径的碳固定作用显著增强（p<0.05），而甲烷生成作用则显著受到抑制（p<0.05）；负责硫酸盐氧化生成的功能基因的丰度也显著降低（p<0.05）。值得注意的是，有机肥显著提升了微生物分解无机磷和矿化有机磷的能力，但显著抑制了其固氮和硝化作用。这些发现为理解农业生态系统的健康状况和生态农业提供了科学依据。
引言
作为地球上主要的碳储存库，土壤有机质（SOM）的储量远超植被和大气中的碳储量（Thomson等人，2008年）。农业生态系统覆盖了全球约38%的土地面积。随着农业集约化的加剧，全球化学肥料消耗量急剧增加，进一步加剧了土壤有机质的流失（Tian等人，2024年）。后工业时代的耕地已丧失了高达50%的原始碳储量，影响了土壤肥力并威胁到粮食安全（Ma等人，2023年）。施用有机肥（如绿肥和粪肥）是提高土壤有机质的有效方法，能够维持多种土壤功能，包括养分/水分循环、结构稳定性和生态系统生产力，这对改善农田特性和提高作物产量至关重要（Garbowski等人，2023年；Teng等人，2024年）。
有机肥的施用能够显著改变土壤环境（Garbowski等人，2023年；Park和Lee，2025年）。先前的研究表明，与纯化学肥料相比，有机肥不仅增加了土壤中的总有机碳（OC）含量，还提高了土壤团聚体的稳定性并降低了容重（Fu等人，2025年；Lin等人，2019年；Park和Lee，2025年；Zhang等人，2023年）。土壤微生物对这种变化反应强烈。微生物在分解有机物质的同时，也是驱动土壤有机质转化的关键因素（Sokol等人，2022年；Tian等人，2024年）。证据表明，有机肥的施用会打破土壤微生物群落中共生与拮抗生理活动之间的动态平衡，导致土壤微生物结构的短期或长期波动（Philippot等人，2024年）。此外，土壤微生物还调节着碳及其他养分（如氮、磷）的代谢过程，从而影响养分循环和植物生产力（Lillo等人，2025年；Zhou等人，2024年）。因此，了解土壤微生物群落结构的变化对于提高土壤质量和维护土壤生态系统健康至关重要。然而，关于长期减少化肥使用和替代为有机肥对农业生态系统中微生物介导的多养分循环的影响仍知之甚少，尤其是在绿肥和传统粪肥交替使用的情况下。
基于此，我们假设长期减少化肥使用和替代为有机肥会改变土壤的物理化学性质、微生物群落结构及养分循环过程。本研究收集了连续43年施肥试验的土壤样本，分析了不同施肥方法下土壤物理化学性质的变化，阐明了有机肥与化学肥料混合施用与仅施用化学肥料土壤之间微生物群落结构、物种分布（细菌和古菌）以及物种间关系网络的差异，揭示了土壤养分因子（碳、氮、磷、硫）的循环机制。这些发现有助于深入理解农业生态系统的健康状况和生态农业的发展。
实验设计与样本采集
实验土壤来自1983年在江西省南昌市（北纬28°57′，东经115°94′）建立的长期施肥研究平台。该地区年均气温为17–18℃，属于亚热带季风气候。实验田的土壤类型为典型的第四纪红粘土。土壤的初始性质见表S1。实验设置了五种处理方式：不施肥对照（CK）：
不同施肥制度下土壤养分的变异性
施肥是农业生产中不可或缺的过程，对养分循环的调节至关重要（Hu等人，2024年；Krause等人，2025年；Zhang等人，2023年）。图1展示了不同比例的有机肥与化学肥料组合以及单独施用化学肥料时土壤物理化学性质的变化情况。
结论
长期变异性施肥处理后，土壤物理化学性质及微生物群落结构和功能之间存在显著差异。具体而言，与仅施用化学肥料相比，有机肥与化学肥料混合施用的土壤中有机质含量、pH值、有效磷含量、总氮含量及阳离子交换容量显著增加（p<0.05）。
作者贡献声明
刘佳：撰写、审稿与编辑、项目管理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。丁明军：撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据分析、数据管理。黄高翔：撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目管理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。单光春：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法论设计、数据分析
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42307495、42567005）、江西省自然科学基金（项目编号：20232BAB213090）以及江西师范大学研究生创新基金（项目编号：YC2024-S201）的支持。
