有机管理促进土壤微生物适应施肥引起的化学计量失衡

《Soil Biology and Biochemistry》：Organic management facilitates soil microbial adaptation to fertilization-induced stoichiometric imbalances

　　

• 在喀斯特农业生态系统中，土壤微生物同时受到氮和磷的限制。
• 更复杂的古核生物网络表明碳利用效率更高，但磷限制更为严重。
• 土壤资源可用性的增加诱导了微生物的碳限制，并增强了病毒裂解潜力。
• 有机管理通过增加土壤有效磷来缓解微生物的磷限制。

引言

土壤微生物是全球碳（C）和养分循环的关键驱动力（Sokol等，2022）。它们分解土壤有机质和动员养分的能力在很大程度上取决于底物化学计量比和微生物资源分配策略（Li等，2026）。土壤有机质的特征是碳、氮和磷（C:N:P）比例较高（Cui等，2023a）。土壤微生物通常吸收的碳多于氮和磷，导致微生物养分限制（Cui等，2025）。为了维持化学计量平衡，土壤微生物通过增加能量分配到分解代谢和合成代谢（例如，合成和表达编码养分获取酶的功能基因）来平衡多余的碳，从而刺激养分获取酶和有机酸的产生（Wang等，2023b；Li等，2026）。因此，这些酶和有机酸驱动土壤养分动员，增强养分有效性。这种有效性的增加反过来使微生物能够平衡多余的碳。然而，人为养分输入可以重塑这一模式。施肥引起的养分吸收增加迫使土壤微生物通过减少能量分配到分解代谢、合成代谢和养分跨膜运输来保持化学计量平衡，导致更高的微生物碳利用效率（CUE）（Sinsabaugh和Follstad Shah，2012；Wang和Kuzyakov，2023；Duan等，2025）。总之，这些变化重新构建了土壤微生物群落的组成、多样性和稳定性（Hu等，2026）。鉴于常规施肥与有机施肥在资源输入形式上的差异，化学计量平衡与土壤微生物群落结构和功能稳定性之间的关系是否由相同机制介导仍不确定。

常规施肥有利于缓解土壤微生物养分限制，但会降低土壤微生物群落多样性和功能基因表达（Krause等，2025）。例如，化学氮肥引起的土壤酸化降低了土壤微生物群落多样性并抑制了微生物固氮能力（Wang等，2023a）。此外，长期施用化学磷肥抑制了土壤微生物磷动员和丛枝菌根真菌（AMF）的磷吸收（Oelmann等，2021；Liao等，2026）。在联合施用化学氮磷肥条件下，土壤微生物将更多能量分配到与胁迫耐受相关的基因表达上，导致分配到合成代谢的能量减少（Li等，2026）。相比之下，有机施肥实践（如豆科间作和丛枝菌根接种）有利于优化土壤微生物群落及其生态系统功能，如碳固存、固氮和磷动员（Qiao等，2024；Qu等，2024；Khashi u Rahman等，2025）。已广泛认识到，豆科植物根系与丛枝菌根真菌的共生促进了光合碳水化合物作为有机酸或其他活性碳形式的输入增加（Zhang等，2021）。这些活性碳资源可为养分获取酶的产生提供充足能量，从而刺激养分动员（Li等，2026）。然而，微生物碳限制是否是常规施肥与有机施肥下土壤微生物群落及其功能不同响应的根本原因仍未得到证实。

生态酶化学计量已被广泛用于评估微生物化学计量平衡和资源限制（Cui等，2021；Xing等，2024）。生态酶活性剖面反映了微生物如何从多聚物来源获取碳、氮和磷以平衡其化学计量、同化效率和资源可用性（Cui等，2023a）。将常见底物转化为可溶性微生物养分的终末水解过程由四种生态酶催化：β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、L-亮氨酸氨基肽酶（LAP）和酸/碱性磷酸酶（ACP/ALP）（Sinsabaugh等，2009）。其化学计量为连接生态代谢理论和生态化学计量理论、预测微生物养分同化和生长提供了框架（Cui等，2021）。然而，由于生态酶化学计量（如生态酶向量模型）对人为干扰和全球变化敏感，其因生态系统而异，从而降低了微生物资源限制预测的精度（Cui等，2023a）。尽管Cui等（2021）提出了将生态酶化学计量与阈值元素比模型相结合，但由于未考虑微生物代谢效率适应，该综合方法无法量化特定元素限制。在此背景下，Cui等（2023）进一步修改了现有化学计量方法，提出了基于资源利用效率的新阈值模型以量化微生物元素限制。该方法已成为在不同农业管理实践下预测土壤资源、微生物化学计量和微生物代谢限制（群落水平）的适当方法（Xu等，2023）。在这些模型中，生态酶是微生物资源获取的近似代理。其活性和分泌量由相应功能基因、终产物和生物相互作用的合成和表达所介导（Sinsabaugh和Follstad Shah，2012）。新兴证据表明，功能基因对资源变化更为敏感，能更好地从机制上反映土壤微生物如何响应变化的资源条件（Jia等，2025）。然而，在理解微生物元素限制与古核生物功能基因之间的关系方面仍存在知识空白。

土壤是一个具有各种生物相互作用的复杂系统，如竞争、互利共生和捕食（Faust和Raes，2012）。土壤微生物是土壤食物网的营养基础，其化学计量与食物网内的能量和养分分配相关（Carreira等，2024）。病毒在土壤中普遍存在，通过调节这些生物相互作用极大地影响土壤微生物群落及其功能（Kuzyakov和Mason-Jones，2018）。噬菌体触发宿主细胞裂解，从而释放胞内酶，加速土壤有机质分解（Huang等，2024b；Jia等，2024）。碎屑物质进一步为幼体古核生物后代生长提供活性底物（Wang等，2024）。此外，其他病毒可通过调节微捕食者（如无脊椎动物和原生生物）的捕食强度或植物来源资源输入来间接影响微生物酶产生（Carreira等，2024）。新兴证据揭示土壤病毒是土壤碳和养分循环的关键调节因子（Huang等，2024b；Liang等，2024；Li等，2025）。然而，尚不清楚它们在常规施肥和有机施肥制度下如何介导微生物对养分限制的适应。

在本研究中，我们进行了田间实验，以研究常规管理（即添加化学氮和/或磷）和有机管理（即丛枝菌根接种和/或紫花苜蓿间作）实践对牧草（梓树）农业生态系统中土壤微生物养分限制、底物-生态酶-基因化学计量和微生物群落特征的影响。我们旨在：1）检验有机管理是否比常规管理更好地缓解了土壤微生物养分限制；2）确定在常规和有机管理下微生物化学计量平衡如何影响土壤微生物群落及相关功能；3）阐明土壤病毒在两种管理制度下介导土壤微生物群落及相关功能的作用。喀斯特地区的特点是土壤层浅、土壤pH值高以及土壤钙（Ca）和镁（Mg）浓度较高（Wang等，2019）。这些特征限制了土壤氮和磷的有效性，原因是快速淋失、高微生物氮周转率以及有效磷的强矿物沉淀（Zhu等，2023；Liao等，2026）。此外，土壤碳易被矿物保护，使碳资源对微生物降解具有抗性（Hu等，2024）。因此，喀斯特地区遭受广泛的氮和磷共限制（Cui等，2025）。鉴于微生物生物量C:N:P比率高，外源养分输入不仅缓解土壤微生物养分限制，还可能加剧微生物碳限制，潜在地触发微生物群落稳定性变异（Cui等，2023a；Duan等，2025；Long等，2025）。尽管化学氮磷肥可以暂时增加土壤养分有效性，但大部分未利用的氮和磷通过气体排放（如N2O和NH3）、淋失或矿物沉淀而损失（Klimasmith和Kent，2022）。相比之下，豆科间作和丛枝菌根接种通过直接途径（有机酸分泌和生物固氮）和间接机制（活性碳供应刺激微生物酶产生）持续增强土壤养分有效性（Qiao等，2024；Qu等，2024；Khashi u Rahman等，2025；Li等，2026）。因此，我们假设与常规管理相比，有机管理能够更好地缓解土壤微生物养分限制和养分诱导的微生物碳限制，同时减少古核生物群落稳定性变异。由于噬菌体裂解在高资源条件下增强（Liu等，2025），我们进一步假设在有机管理下土壤噬菌体可能在介导土壤微生物群落及相关功能方面发挥更重要的作用。

研究地点

田间实验在中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站（广西，中国）（东经107°51′–108°43′，北纬24°44′–25°33′）进行。研究点的土壤为石灰性土壤，由白云岩基底形成（Liao等，2024）。研究点具有典型亚热带季风气候，年平均气温18.5°C，降水量1234毫米（Liao等，2023b）。雨季从四月持续到九月，随后是干季。

化学计量特征和微生物养分限制

常规和有机管理实践对TC:TN、TC:TP、TN:TP、DOC:AN、酶C:N、酶N:P、基因C:N、基因C:P和基因N:P比率均无显著影响（图1、图2、图3；表S7）。单独施用化学氮处理的DOC:AP和AN:AP比率显著高于其他处理（图1b；表S7）。酶C:P比率在+LA处理中显著高于对照、+A、+P和+NP处理（图3e；表S7）。向量模型显示

资源输入加剧化学计量失衡和古核生物群落稳定性变异

在本研究中，我们结合土壤-微生物和生态酶化学计量方法评估了土壤微生物元素限制。在生态酶和土壤-微生物化学计量方法评估微生物养分限制方面存在差异。以往研究表明，土壤有机质（186:13:1）和微生物生物量（60:7:1）比率是土壤微生物元素限制的最佳指标（Cleveland和Liptzin，2007；Cui等，2023b）。在本研究中，

CRediT作者贡献声明

廖雄辉：写作–审稿与编辑，写作–原稿撰写，调查研究，资金获取，构思。王克林：写作–审稿与编辑，项目管理。胡佩蕾：写作–审稿与编辑，资金获取。肖丹：写作–审稿与编辑。李江南：写作–审稿与编辑，调查研究。张伟：写作–审稿与编辑，项目管理。赵杰：写作–审稿与编辑，指导，项目管理，资金获取

未引用参考文献

Khashi u Rahman等，2025。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

竞争利益声明

?作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们非常感谢中国科学院亚热带农业生态研究所共享技术与设施中心，其提供了分析土壤理化性质的支持。本研究得到了广西壮族自治区自然科学基金（2025GXNSFBA069348和2025GXNSFDA069042）；国家自然科学基金（42407432、42377284和42377351）；湖南省自然科学基金（2026JJ60156）；科学技术

廖雄辉|赵杰|李江南|张伟|胡佩蕾|肖丹|王克林