等碳有机改良剂通过差异化功能谱提升可降解地膜覆盖旱作玉米田土壤多功能性（Equal-Carbon Organic Amendments Enhance Soil Multifunctionality Through Divergent Functional Profiles in a Biodegradable Film-Mulched Rainfed Maize Field）

《Agriculture》：Equal-Carbon Organic Amendments Enhance Soil Multifunctionality Through Divergent Functional Profiles in a Biodegradable Film-Mulched Rainfed Maize Field

　　

有机改良剂可同时影响多种土壤功能，但在固定碳（C）投入条件下，物料类型是否仍起作用尚未明确。研究人员在黄土高原旱作玉米田统一覆盖可降解地膜的条件下，采用随机完全区组设计（n = 3），分别施用泥炭（MPT）、生物炭（MBC）、发酵猪粪（MPM）和玉米秸秆（MCS），均按等碳量（1200 kg C ha?1）施入，并设不施改良剂的对照（MCK）。17项指标构成六维度土壤多功能性（SMF）指数；宏基因组（metagenome）提供了多样性、连通性、Y-A-S投资以及碳、氮、磷循环基因多样性等预测因子。四种物料均使SMF提高4.0–4.9倍，且彼此间无显著差异；然而，其维度组成存在分化（MBC：碳储存；MPM：养分供应与酶活性；MCS：土壤结构；MPT：水分调节与生产力）。功能间以协同关系为主，形成两个弱关联模块（养分–酶模块与碳–水分–生物量模块），该模块结构在剔除处理效应后虽有所减弱但仍存在；少数显著负相关反映的是容重的反向取向，而非功能性权衡。S/Y胁迫耐受投资与网络连通性是最强预测因子，物种丰富度是SMF的最强相关因子（ρ = 0.66），循环基因多样性同时追踪SMF与养分供应（ρ = 0.53–0.68）。5个SMF阳性属聚类于两个系统发育分支及连通性最强的模块；14个枢纽属和SMF关联属中，无一在绝对丰度上发生可检测变化，但其中7个属的相对占比发生了显著改变。在等碳投入下，物料品质重塑的是功能组合而非总体水平，这提示应按功能目标选择物料；本地易得的秸秆与猪粪值得优先考虑，但仍需多年多点验证。

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一、研究背景与科学问题

黄土高原旱作农田长期受制于土壤有机质含量低和结构退化两大瓶颈。单施矿质肥料无法同时改善碳储存、养分供应和水分保持能力，施用有机改良剂因此成为提升旱地土壤肥力的核心措施。该区域玉米种植普遍采用地膜覆盖以保墒稳产，但聚乙烯地膜不可降解，残膜在耕层逐年累积，导致覆膜增产效益随残膜积累而下降。全生物降解地膜因能在田间原位矿化、不留残片而被开发为替代方案。中国每年产生约10亿吨作物秸秆，2019年畜禽粪污及废水产生量约12.1亿吨，这些原料性废弃物连同加工或开采性物料（如生物炭和泥炭）构成了当前农田有机改良剂的主体，其物料品质跨度几乎覆盖整个范围。泥炭高度腐殖化且富含芳香族物质，生物炭经热解而高度难降解，猪粪富养分且易分解，玉米秸秆富碳而贫养分。这些差异预期会塑造各物料改变土壤功能的方向。然而，以往研究通常在不同施用量下比较各物料，物料品质效应与碳投入量效应相互混杂，在碳投入固定后物料类型是否仍起作用，是一个悬而未决的问题。

土壤同时支撑碳储存、养分供应、结构稳定、水分调节、分解和作物生产等多种功能，而优化某一功能的管理措施往往以牺牲另一功能为代价。为捕捉这种多目标权衡，土壤多功能性（SMF）框架将标准化指标聚合为复合指数，其多阈值形式进一步考察多少功能能同时维持在给定水平之上。在此框架内，有机替代已被反复证明能提高SMF，微生物群落多样性和网络复杂性是频繁出现的预测因子。近年来发展的基于性状的框架进一步将微生物基因划分为生长（Y）、资源获取（A）和胁迫耐受（S）三类投资，并成功地将群落生活史策略与沿干旱梯度及超干旱绿洲的生态系统多功能性联系起来，提示微生物组的功能配置而非单纯的多样性水平可能才是调控多功能性的关键。

现有旱作玉米研究存在两点局限。其一，多数SMF研究比较的有机处理在物料类型和碳投入量两方面同时不同，无法判定物料品质单独能否重塑多功能性的组成；等碳设计可消除碳投入量的混杂，尽管不能消除氮、磷、钾投入量的差异。其二，SMF的水平与组成很少被区分——两种物料完全可能得到相同的复合指数，却支撑完全不同的功能组合，这一区分具有直接的农艺意义，因为农户针对的是结构、肥力和水分等功能本身而非抽象指数。据研究人员所知，尚无研究在固定碳投入的同时将多功能性指数分解为维度指数，并将所得配置与微生物组功能性状相关联。

二、研究设计与主要技术方法

研究依托黄土高原山西省柳林县固定点位田间试验，采用随机完全区组设计，设泥炭（MPT）、生物炭（MBC）、发酵猪粪（MPM）、玉米秸秆（MCS）和空白对照（MCK）5个处理、3个重复，共15个小区。所有物料按等碳量1200 kg C ha^?1施入，统一覆盖PBAT/PLA全生物降解地膜，试验连续进行两个玉米生长季（2024和2025年），本文所有测定均在第二季（2025年）完成。主要技术方法包括：①土壤功能测定——17项指标涵盖碳组分（颗粒有机碳POC与矿物结合有机碳MAOC）、全季养分有效性（硝态氮、铵态氮、Olsen-P、速效钾）、团聚体稳定性（平均重量直径MWD、>0.25 mm团聚体比例R_0.25）、容重、0–200 cm剖面水分含量、三种胞外酶（β-葡萄糖苷酶BG、纤维二糖水解酶CBH、过氧化物酶PER）以及产量和地上部生物量；②宏基因组测序与绝对定量——采用枪式宏基因组测序并添加合成DNA内标进行绝对丰度校准，基于KEGG、CAZy及碳氮磷循环基因数据库注释，计算物种多样性、网络连通性、Y-A-S策略投资（以S/Y表示）、copiotroph:oligotroph比值、GT:GH比值及碳氮磷循环基因Shannon多样性；③SMF指数构建——17项指标按先验分组归入六个维度，经min–max标准化后取算术平均；④统计与网络分析——双因素方差分析、Tukey HSD多重比较、Spearman相关及偏相关、随机森林回归与方差分配、基于Spearman相关的微生物共现网络及模块和枢纽属鉴定。

三、研究结果

3.1 单项功能对改良剂的响应

17项被纳入指数的功能中有16项在处理间差异显著，仅田间持水量无显著差异。碳储存维度中，POC在MBC下最高（标准化值0.88），MAOC在MPT下最高（0.97）。养分供应维度中，MPM在硝态氮（1.00）、Olsen-P（0.97）和铵态氮（0.89）上均居首位，速效钾由MPM（0.85）和MCS（0.92）并列最高，四项指标均在MCK下最低。结构维度以MCS最优（MWD 0.86、R_0.25 0.74，均为a组），容重为反向指标，MCS实测值最低故得分最高。水分调节维度中，土壤含水量将MPT和MBC置于同一a组，饱和含水量仅MCS进入a组；泥炭将0–200 cm土壤含水量从对照的13.09%提升至14.55%，相对增幅11.12%。三种酶活性均在MPM下最高（0.79–0.82）。生产力维度中，籽粒产量以MPT最高（0.81，a组），生物量将MBC和MPT置于最优组。总体而言，生物炭擅长碳储存，猪粪擅长养分供应和酶活性，秸秆擅长结构和饱和含水量，泥炭擅长含水量和产量；同时每种物料都有相对薄弱的维度，如猪粪的POC和MAOC仅0.23和0.43，秸秆的MAOC低至0.19。

3.2 土壤多功能性的水平与组成

四种物料均将SMF从MCK下的0.130提升至0.523–0.632（p < 0.01），四者之间无任何可检测的成对差异（Tukey校正p ≥ 0.238），最大对比MPM对MPT仅差0.109个指数单位。然而六维度指数组成在物料间明显分化：MBC碳储存维度最高（0.83），MPM养分供应（0.93）和酶活性（0.81）最高，MCS结构（0.70）最高，MPT水分调节（0.72）和生产力（0.79）最高。每种物料也有相对弱项：MPM和MCS的碳储存仅0.33和0.39，MPT的养分供应仅0.35，MBC的结构仅0.35。没有物料在超过两个维度上领先，四种物料具有截然不同的维度剖面，而对照在所有维度上均最低（0.06–0.25）。

3.3 功能间的协同与权衡

153对Spearman相关中绝大多数为正，44对达到p < 0.05，其中仅6对为负。功能空间可概括为两个协同模块：养分–酶模块内，硝态氮、铵态氮、Olsen-P、速效钾与三种酶之间的全部21对相关均为正（ρ = 0.46–0.93），其中12对≥0.70，最强为硝态氮–铵态氮（ρ = 0.93）；碳–水分–生物量模块内，TOC、MAOC、土壤含水量、产量和生物量之间的全部10对相关均为正（ρ = 0.45–0.80），最强为MAOC–含水量（ρ = 0.80）和含水量–生物量（ρ = 0.80）。6个负相关中有5个涉及容重，因容重是唯一反向指标，这些系数反映的是沿单一物理质量轴的共同改善而非功能权衡；排除容重后，正向功能间有18个负相关，但仅MAOC–速效钾达到p < 0.05（ρ = ?0.58），且未通过Benjamini–Hochberg校正（q = 0.096）。剔除处理均值的偏相关分析显示，模块结构在很大程度上是处理对比的属性：模块内|ρ|中位数从0.74降至0.27，模块内/模块间比值从2.43降至1.79，显著模块内配对比例从87%降至10%，但硝态氮与铵态氮仍紧密耦合（ρ = 0.73，p = 0.016）。

3.4 土壤多功能性的微生物预测因子

随机森林排序将胁迫耐受投资S/Y置于首位（%IncMSE = 28.2），网络连通性居第二（23.2），GT:GH可忽略（?2.4）；六预测因子模型的留一法交叉验证预测R2为0.429（置换p = 0.010）。重复100次五折交叉验证的R2中位数为0.44（四分位距0.40–0.48），98%的运行中为正；S/Y单独已达留一法R2约0.50，高于全模型的0.429，其余五个预测因子贡献的是重要性排序而非预测力。秩相关中，物种丰富度与SMF关联最强（ρ = 0.66，p = 0.009），其次为S/Y（ρ = 0.57，p = 0.030）；Shannon多样性（ρ = 0.45，p = 0.094）和连通性（ρ = 0.39，p = 0.157）为正但不显著。S/Y本身在15个小区间仅变动于0.143–0.147，相对范围约3%，并与水分调节维度相关（ρ = 0.58，p = 0.026）。方差分配将SMF方差的69.8%归因于两个区块：群落区块（多样性/连通性）独特贡献8.6%，策略区块（copiotroph:oligotroph比值、S/Y、GT:GH）独特贡献12.2%，两者共享49.0%，共享部分占已解释方差的三分之二以上，表明在该样本量下群落多样性与生活史策略配置紧密耦合、难以分离。碳、氮、磷循环基因的Shannon多样性在处理间差异均小于其均值的1%（处理均值分别为6.44–6.48、2.93–3.00和4.05–4.08），虽统计上可检测（均p < 0.05）但过小不宜作生物学解释；然而三者与SMF（ρ = 0.53–0.65，p = 0.011–0.044）及养分供应维度（ρ = 0.65–0.68，p = 0.007–0.010）均保持稳定的秩相关。15个小区检出的氮循环基因家族数完全一致（均为61），说明氮循环差异反映的是同一基因家族相对丰度的变化而非功能基因的获得或丢失。

3.5 SMF关联类群的分类学分布

背景群落以寡营养谱系为主：最丰富的属为未分类Nitrososphaeraceae（6.78%）和未分类Actinomycetota（5.36%），60个属跨越13个门。与SMF显著关联的属并非最丰富的类群，5个阳性属相对集中于两个分支：放线菌的Nocardioides–Blastococcus分支和α-变形菌的Sphingomonadales–Hyphomicrobiales分支。唯一的显著负关联——一个未分类细菌类群——本身是网络枢纽。最丰富的氨氧化Nitrososphaeraceae与SMF无关联。

3.6 绝对库稳定、相对份额重新分配

在14属的枢纽与SMF关联属面板中，没有属在绝对丰度上对处理有响应（p ≥ 0.17），群落总绝对丰度也无显著差异（p = 0.87），但7个属的相对占比发生显著变化（p = 0.007–0.044）。变化方向一致：SMF阳性属Nocardioides、Blastococcus和Sphingomicrobium均在MBC下达到峰值（Nocardioides在MBC和MPM下并列最高，分别为3.4%和3.3%），Microvirga和Nocardioidaceae也呈现相同趋势；SMF阴性的未分类细菌类群呈相反模式，在MCK下最高（2.72%）、在MPM和MBC下最低（p = 0.010）。枢纽属中，慢生长的Anaerolineae和Myxococcia与SMF阳性属方向相反、彼此方向一致，均在MCS下达到峰值、在MBC和MPM下达到最小值。等碳物料因此在一个绝对库无可检测差异的群落内部引发了属级份额的组成性重组。

3.7 网络模块集中了多功能性关联类群

圆形热图整合了30个属的网络模块归属、处理响应和SMF关联，其中19个属的相对占比有显著响应。展示的三个模块具有不同的生态特征：模块1聚集慢生长谱系（Anaerolineae和Anaerolineales、Myxococcia、氨氧化菌Nitrososphaera和Nitrososphaeraceae、Thermoproteota、Candidatus Binatia和Solirubrobacteraceae），其中6个响应显著（p = 0.011–0.049），Anaerolineae和Myxococcia在MCS下达到峰值；模块2的谱系（Actinomycetota、Gaiellaceae和Chloroflexota）在所有物料下相对占比普遍下降，其中Actinomycetota和Gaiellaceae响应显著（p = 0.008–0.013）；模块3包含12个标注枢纽中的10个和全部5个SMF阳性属，这5个属的相对占比在MBC和MPM下高于对照23–50%，且均在MBC下达到最大值，但仅2个（Nocardioides和Sphingomicrobium）变化显著。唯一显著负关联的未分类细菌类群也是模块3中的枢纽，表明负关联并不局限于外围（低度）类群，而阳性类群集中于枢纽丰富的模块。

四、讨论与结论

讨论部分指出，SMF提升4.0–4.9倍（以指数单位计）不能与文献中报道的百分比增幅直接比较，因为增幅大小取决于指数标准化方式，且这是低有机质黄土的第二季响应，应理解为多年改良过程的早期阶段。四种物料SMF水平无可检测差异但六维功能剖面截然不同：生物炭路径符合热解芳香碳在颗粒态组分中的物理稳定化，但其结构维度最低；猪粪路径源于低C:N比和易分解底物对矿质氮供应和水解酶产生的支撑，但其MAOC仍低于泥炭；秸秆路径是经典的外源凋落物途径，颗粒态残体通过胶结剂和真菌菌丝促进大团聚体形成；泥炭路径可能通过高度腐解细颗粒有机质富集矿物结合碳库并提高土壤含水量，碳–水协同（MAOC–含水量，ρ = 0.80）将该效应传递至产量。农艺上四条路径互补，可按当地限制性功能选择物料而无可检测的总体多功能性代价。功能间以协同为主，模块结构在很大程度上是处理对比的属性但并非完全如此；负相关几乎全部归因于容重这一唯一反向指标。多样性、网络连通性和生活史策略更可能是同一群落属性的不同侧面：S/Y在随机森林重要性中居首，物种丰富度与SMF秩相关最强，两区块共享49.0%方差；S/Y与SMF的正相关不同于干旱梯度上胁迫耐受投资伴随功能丧失的模式，在覆膜创造的相对均匀水热条件下，适度S投资可能反映资源充裕群落维持功能稳定性的能力。属级模式与copiotroph:oligotroph比值方向一致，放线菌Nocardioides是显著例外。等碳投入下，所有枢纽和SMF关联属的绝对丰度均无可检测差异，而14属中7个相对占比显著变化，说明物料改变的是功能与群落份额的分配而非其总体规模；SMF阳性属集中于两个系统发育分支，分别体现干旱耐受和机会性资源利用策略。实践上，“哪种物料最好”不再是生产问题，“哪种物料最匹配当前田块限制因子”才是操作性问题：秸秆适用于结构和入渗受限田块，猪粪适用于肥力和酶活性受限田块，生物炭适用于碳储存优先田块，泥炭适用于水分保持和产量稳定优先田块；就可得性和成本而言，本地秸秆和猪粪应优先使用，泥炭和生物炭应保留给明确目标。研究同时强调，这些比较是在等碳而非等养分投入下进行的，四种物料氮磷钾含量差异显著，该设计无法完全分离物料品质与养分负荷；五项局限包括指标集未含气体排放和生物多样性、min–max标准化使指数值具有样本依赖性、地膜碎片可能改变碳氮循环、宏基因组分析均为描述性而非推断性、POC和MAOC以53 μm筛分操作定义而非直接测定。

结论部分翻译如下：在统一可降解地膜覆盖和连续两季等碳投入（1200 kg C ha^?1）条件下，四种物料（泥炭、生物炭、猪粪和秸秆）将SMF指数从空白对照的0.130提升至0.523–0.632，即4.0–4.9倍，且四者总体水平无可检测差异（Tukey HSD）。然而其功能组合发生分化：生物炭碳储存最高，猪粪养分供应和酶活性最高，秸秆土壤结构最高，泥炭水分调节和生产力最高。这种分化并不妨碍功能间的协同；所测功能解析为养分–酶和碳–水分–生物量两个模块，矩阵中的显著负相关归因于反向取向的容重而非功能冲突。胁迫耐受投资和网络连通性在六预测因子随机森林重要性中居前，物种丰富度是多功能性最强的秩相关因子，碳、氮、磷循环基因多样性将宏基因组与养分维度联系起来；这些排序仅按预测价值排列六个属性并识别待实验检验的候选机制，而非已确立的多功能性调控因子。在类群水平上，物料在无可检测差异的绝对库内重新分配了枢纽和SMF关联属的相对份额，SMF阳性谱系集中于一个枢纽丰富的网络模块。当碳投入量受控时，物料特性重塑的是土壤功能的组合而非总体水平；物料选择应针对当前限制田块的功能——秸秆用于结构和入渗受限田块，猪粪用于肥力和酶活性受限田块，生物炭用于碳封存优先田块，泥炭用于水分保持和产量稳定优先田块。四者在总体水平上无法区分（Tukey HSD，p ≥ 0.238），按需选择并未可检测地降低总体多功能性；就可得性和成本而言，应优先使用本地易得的秸秆和猪粪，泥炭和生物炭保留给明确目标。这些建议是初步的：其依据仅为一个点位、两个生长季和单一可降解地膜系统，应用还取决于改良剂可得性、成本和养分平衡，推广前需多年多点验证。