土壤资源过滤将微生物功能策略与长期耕作及秸秆管理下的玉米生产力联系起来

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Soil resource filtering links microbial functional strategies to maize productivity under long-term tillage and residue management

　　

• •
  长期耕作和秸秆管理造就了不同的土壤有机质（SOM）和磷（P）环境。
• •
  碳和磷相关基因比值跟踪了土壤有机质和有效磷的梯度变化。
• •
  高玉米产量与不同的微生物功能配置相一致。
• •
  与微生物生物量相比，功能策略轴与产量的关联更为紧密。

引言

长期耕作和秸秆管理重塑了调节农业生态系统中微生物功能和作物生产力的土壤资源限制。中国东北的黑土（Mollisol，美国农业部土壤分类系统；土壤调查工作组，2022）地区是该国的主要粮食产区之一，在此，长期耕作和秸秆管理在维持作物产量的同时保持土壤健康方面起着核心作用（Xu等，2010；Zhang等，2025）。近几十年来，包括免耕、犁耕、宽窄行管理和秸秆管理在内的保护性耕作措施已被广泛采用，以提高土壤有机质（SOM）的积累和养分供给，旨在提高作物生产力和系统韧性（Pittelkow等，2015；Li等，2020）。然而，在长期农田系统中，管理效应通常源于耦合的驱动因素。因此，单靠作物产量或少量土壤指标往往无法解析连接管理、土壤资源、微生物群落和作物表现的潜在过程（Bardgett和van der Putten，2014；Wagg等，2014）。

证据一致表明，耕作和秸秆管理会改变土壤有机质和养分状态（Dimassi等，2014；Jakab等，2023）、土壤pH值和结构特性（Da Luz等，2022；Zhao等，2022）以及微生物群落组成（Fierer和Jackson，2006；Zhao等，2022）。因此，机制解释主要遵循两条路线：(i) 土壤理化条件变化驱动的栖息地转变（Kanehisa等，2016；Angon等，2023）；以及 (ii) 微生物群落结构或多样性的响应，有时辅以功能基因或酶活性作为过程水平的证据（Van Capelle等，2012；Tahat等，2020）。尽管取得了这些进展，一个关键问题仍未得到充分解决：在长期管理形成的复杂限制结构下，我们如何量化微生物功能分配的转变，使其在不同管理系统之间具有可比性，并支持对作物表现更偏向过程导向的解释？在长期系统中，资源变化不仅限于池大小；还涉及资源可及性和限制强度。这些属性通常通过磷的有效性——尤其是有效磷（AP）——以及化学计量学背景（如C:N和C:P）来反映（Cleveland和Liptzin，2007；Oliverio等，2020）。基于性状的微生物生态学为解释此类限制提供了一个明确的框架。特别是，产量-获取-压力（Y-A-S）框架强调了微生物生长产量、资源获取和压力耐受之间的能量权衡（Fierer，2017；Malik等，2020）。因此，微生物对长期管理的响应不应仅被解释为多样性的变化，还应被视为在特定资源限制下获取途径之间功能潜力的系统性重新分配。

为弥补这一空白，我们采用了一种基于微生物资源经济学的策略分配视角：资源限制在长期内的变化可能有利于不同的资源获取潜力的配置（Malik等，2020）。基于DNA的宏基因组学表征了在环境过滤下保留的积累遗传库，为比较不同管理系统之间的功能概况提供了基础。借鉴先前的功能群方法（Li等，2021；Liu等，2022a），我们使用两个基因群比值（R/L和O/I）总结了选定的碳处理和磷循环功能。它们的基因成员、生化范围和计算方法详见第2.4节和表S3。共现网络为描述高阶群落组织提供了结构补充，而探索性路径模型则整合了土壤资源环境、微生物策略轴和玉米产量（Faust和Raes，2012）。

基于该框架，我们利用黑土地区的八年田间试验，联合分析了四种代表性耕作和秸秆管理系统下的土壤理化性质、细菌群落结构和宏基因组功能潜力。我们评估了土壤资源限制、群落组织、功能策略轴和玉米籽粒产量之间的一致性。我们检验了三个假设：H1，耕作和秸秆管理重塑了以SOM和AP为特征的土壤资源概况，从而施加了区分群落组成和网络组织的环境过滤。H2，群落分化伴随着功能潜力的系统性重组；这些转变可以通过选定的C处理比值R/L和P循环比值O/I来捕获，并且可能与关键资源梯度不对称地对齐。H3，与微生物生物量碳（MBC）相比，L/R和O/I策略轴与玉米产量表现出更强的关联，不同的较高产量系统与替代的微生物功能配置相关联。

章节片段

研究地点和耕作系统

田间试验在中国东北吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验站进行（约124°48′E，43°30′N）。该地具有中温带半湿润大陆性季风气候，无霜期约为110-140天，有效积温为2600-3000 °C·d，年降水量为450-650 mm。土壤是由第四纪类黄土沉积物发育而成的典型黑土，

采样年份的长期产量轨迹和土壤资源环境

2015-2019年间，四种处理的玉米平均籽粒产量有所变化，并在2016年达到峰值（图1；表S2）。2017年或2018年的处理间差异不显著。在2019年采样年，WL（11.74 ± 0.38 t ha?1）和NT（11.68 ± 0.48 t ha?1）的产量显著高于CK（9.87 ± 0.23 t ha?1），而PT（10.90 ± 0.29 t ha?1）与其他处理相比差异不显著（Tukey HSD，P < 0.05；表S2）。用于宏基因组分析的土壤样本是

讨论

利用黑土农业生态系统中的一项八年田间试验，本研究将长期耕作和秸秆/留茬管理产生的土壤资源环境与细菌群落分化、宏基因组功能概况和玉米生产力联系起来。结果表明，截然不同的资源环境与不同的高产对齐的微生物配置有关。2019年收获的0-20 cm层单次采样测量捕获了

结论与展望

利用黑土地区的八年田间试验，我们证明耕作和秸秆管理系统重塑了以SOM和AP为特征的土壤资源限制，并在细菌群落组成、网络级协方差组织和宏基因组功能潜力中产生了管理相关的遗留模式。一个关键成果是将复杂的宏基因组功能分化简化为两个生态学上可解释的策略轴：选定的碳处理

CRediT作者贡献声明

王玲：撰写—初稿，验证，方法学，调查，正式分析，概念化。张穗美：撰写—初稿，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。罗阳：方法学，调查，数据管理。隋朋翔：方法学，调查。刘小丹：调查，数据管理。李清风：方法学，调查。梁瑶：调查，数据管理。王浩：可视化，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能已经或似乎会影响本文报告的工作。

致谢

本工作获得了国家重点研发计划（资助编号：2023YFD1500305）、吉林省科技发展规划项目（资助编号：20250601036RC）以及中国国家自然科学基金（资助编号 32271777, 31770499, 31100330）和天津市科技支撑重点研发计划重点项目（资助编号：23YFZCSN00100）的经费支持。

Ling Wang|Shuimei Zhang|Yang Luo|Pengxiang Sui|Xiaodan Liu|Qingfeng Li|Yao Liang|Hao Wang|Hongguang Cai|Ying Ren|Jinyu Zheng|Xuefeng Hu