长期有机改良下溶解性有机质化学特性与土壤有机碳固持及线虫食物网能量学的关联

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Linking dissolved organic matter chemistry to soil organic carbon sequestration and nematode food web energetics under long-term organic amendments

　　

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  秸秆和粪便丰富了溶解态有机碳（DOC）和荧光溶解态有机质（DOM），而生物炭则产生了一个低DOC、低荧光的组分池。
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  秸秆增加了颗粒态有机碳（POC）；粪便通过微生物-矿物耦合作用增强了矿物结合态有机碳（MAOC）；生物炭则通过难降解性同时提高了两者。
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  活性DOM组分优先进入线虫食物网通道，留下难降解残留物。

引言

土壤溶解态有机质（DOM）是土壤有机碳中最活泼、生物可利用性最高的组分，是土壤生物代谢的主要底物，也是陆地生态系统生物地球化学过程的关键环节（Bolan et al., 2011, Chen et al., 2026a, Kalbitz et al., 2000）。尽管DOM仅占土壤有机质总量的不到2%（Chantigny, 2003），但其化学性质决定了碳循环和能量流动中的生态功能。在农田施用有机肥料后，部分可溶性组分通过淋溶释放到土壤溶液中；极易生物利用的组分被土壤生物利用，从而刺激生物活性（Li et al., 2018, Marschner and Kalbitz, 2003），而更耐分解的DOM化合物以及土壤生物的代谢产物则通过吸附和共沉淀作用成为矿物结合态有机碳（MAOC）形成的前体（Xiao et al., 2023）。鉴于这种双重角色，表征不同施肥条件下DOM化学性质的变化对于理解施肥类型如何调控碳封存途径及土壤食物网的能量流动至关重要。

有机肥料通过引入分子组成和生物可利用性各异的异源化合物来改变DOM化学性质（Ding et al., 2020, Li et al., 2023）。例如，长期秸秆还田促进木质素、缩合芳烃和类单宁公式的积累，同时减少脂质和蛋白质/氨基糖类似物等可生物降解组分（Cheng et al., 2024）。有机粪肥增加DOM的分子量和芳族性，富集含氮公式，增强难降解化合物的保留，从而降低DOM的生物可利用性（Shi et al., 2025, Zhang et al., 2019）。部分替代化学肥料与有机材料结合使用可增加DOM的分子多样性（Du et al., 2022）。生物炭引入火解碳，使DOM向高分子量芳族组分转变，提高芳族性并降低H/C比，从而减少DOM的化学多样性和热力学不稳定性（Chen et al., 2026b）。长期有机施肥使DOM化学多样性向更高分子量、更高芳族性和更高腐殖化方向重塑（Sun et al., 2025）。这些不同的施肥处理因此产生了不同的DOM特征，对土壤有机碳储存和土壤食物网的能量供应可能产生截然不同的影响。

富含蛋白质和碳水化合物的活性、低分子量DOM组分被土壤微生物同化，并通过微生物碳泵（Liang et al., 2017, Zhu et al., 2020）进入循环，产生微生物残体，后者可结合到矿物表面，从而促进MAOC的形成。高分子量、富芳香族和含氮的DOM分子，连同部分微生物代谢产物，对矿物表面表现出很强的亲和力，并通过矿物碳泵——即有机化合物在土壤矿物上的吸附和共沉淀——被直接保留，从而有利于MAOC的积累（Jílková et al., 2026, Xiao et al., 2023）。因此，提供易生物利用底物的有机肥料可能增强微生物碳泵，促进残体来源的MAOC形成，而引入缩合芳烃结构的有机肥料可能强化矿物碳泵，直接稳定MAOC。然而，DOM分子组成如何调控微生物碳泵与矿物碳泵通路的相对重要性，进而控制土壤有机碳在POC和MAOC之间的分配，其机制性认识仍然缺乏。

土壤食物网的能量结构整合了碳在营养级之间的传递，越来越多地被用于将生物多样性与生态系统多功能性联系起来（Barnes et al., 2018, Barnes et al., 2026, Geisen et al., 2019, van Bommel et al., 2024）。以往研究表明，DOM组分对细菌与真菌多样性的调控作用不同，类脂质化合物主要与细菌相关，而芳香族、碳水化合物和类脂质化合物则塑造真菌群落（Wang et al., 2025a）。大量研究已证实，有机肥料深刻改变线虫群落结构，有机质化学性质是主要驱动因子（Liu et al., 2016, Viketoft et al., 2021）。近年来，线虫能量通量已成为土壤健康的敏感指标，因为它能够捕捉碳通过食物网传递的效率，直接反映土壤生物过程的功能状态（Jia and de Goede, 2025, Wang et al., 2024, Zhu et al., 2023）。此外，能量通量均匀性——即能量在营养通道间的分布均匀度——为连接群落结构与生态系统功能提供了度量指标。Wan et al.（2022）证明，有机肥料通过将能量从食草动物转移至食微生物动物来提高总能量通量和均匀性。以往研究表明，秸秆还田促进以食真菌为主的食物通道和高通量均匀性，而生物炭则有利于细菌驱动和食草动物驱动的食物通道优先化，降低了能量通量均匀性（Huang et al., 2025, Huang et al., 2026）。Zheng et al.（2026）进一步证明，线虫捕食重组了土壤微食物网中的能量流动，增加了总能量通量，同时以牺牲能量通量均匀性为代价强化了细菌能量通道。这些发现确立了线虫能量通量作为评估资源驱动变化如何通过土壤食物网传播的敏感且可量化指标。迄今为止，DOM化学性质与线虫食物网能量学之间的直接机制联系仍知之甚少。

为填补上述空白，我们选择了一个长期田间试验中的四种施肥处理，包括单施化肥（CF），以及化肥与秸秆（ST）、有机粪肥（OM）或生物炭（BC）的组合。我们利用三维激发-发射矩阵荧光光谱（3D-EEMs）结合超高分辨傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）来表征DOM组成，将土壤有机碳物理分离为POC和MAOC，并定量分析线虫群落结构和能量通量。本研究旨在阐明不同外源有机肥料如何塑造DOM化学性质及其与土壤有机碳封存和线虫食物网能量流动的联系。我们假设富含活性碳的秸秆和有机粪肥可通过提供可生物降解的DOM组分来促进POC积累和更高的线虫能量通量均匀性，而生物炭衍生的缩合芳烃类DOM有利于MAOC稳定，但会降低能量通量均匀性和总通量。

章节摘录

研究地点与实验设计

该田间试验于2018年在湖南省南方农田土壤质量监测试验站建立（113°10′ E, 27°31′ N）。该地区属亚热带季风气候，年均温18 °C，年均降水量1424 mm。降水分布不均，夏季和初秋常发生季节性干旱。土壤为第四纪红黏土发育而成，分类为铁铝土和

DOM光谱和质谱性质对有机肥料的响应

OM和ST处理的DOC浓度最高，BC处理显著较低（图1A）。蛋白质类和腐殖质类荧光峰贡献率表明，蛋白质类峰T和B以及腐殖质类峰M、A和C在OM和ST中最高，在BC中最低（图1B）。ST和OM增加了a(355)和SUVA₂₅₄，并降低了S_R（图1C-E）。相比之下，BC未显著改变DOC浓度或荧光峰强度，但其S_R值高于ST和OM（

秸秆与有机粪肥相比生物炭对DOM化学性质的对比效应

我们的结果表明，秸秆和有机粪肥的施用增加了a(355)和SUVA₂₅₄，降低了S_R，与表观分子量和芳族性升高的趋势一致（Helms et al., 2008, Weishaar et al., 2003）。相比之下，生物炭提高了S_R并抑制了整体荧光强度，表明高分子量、芳香族DOM优先被生物炭表面吸附，而较小、芳族性较低的分子则保留在溶液中（Azeem

结论

我们的研究表明，有机肥料类型深刻塑造了DOM的数量和质量：秸秆和有机粪肥丰富了DOC以及蛋白质类和腐殖质类荧光，而生物炭产生了一个低DOC、低荧光的组分池。DOM化学性质通过差异性地耦合微生物碳泵（MCP）和矿物碳泵（MnCP）来调控MAOC的形成。秸秆衍生的活性DOM激活了MCP但与MnCP的耦合较弱，有利于POC积累。有机粪肥同时提供了活性和腐殖质化DOM，实现了最佳的

作者贡献

孙刚和罗遵昌建立了有机肥料试验。郑永、孙美和龙泽栋进行了土壤采样和土壤分析。郑永、田杉一和朱柏静进行了数据分析。郑永撰写了初稿，田杉一作出了大量贡献；所有作者均审阅了初稿并批准了最终稿。

CRediT作者贡献声明

郑永：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、可视化、方法论、数据管理。孙美：项目管理、调查。龙泽栋：资源、调查。罗遵昌：写作 – 审阅与编辑、监督、概念构思。田杉一：软件、方法论、数据管理。朱柏静：软件、数据管理。孙刚：写作 – 审阅与编辑、监督、概念构思。

资金资助

郑永的研究获得了中国国家自然科学基金（42307409）和岳麓山实验室（2024RC2058）的研究基金资助。

利益冲突声明

作者声明无相关的财务或非财务利益冲突。

致谢

感谢钟建国先生在试验田管理方面提供的帮助。感谢西南大学的朱思华在DOM质谱数据分析方面给予的指导。郑永获得了国家自然科学基金和岳麓山实验室的研究基金资助。

郑永|孙美|龙泽栋|罗遵昌|田杉一|朱柏静|孙刚