磷富集如何调控稻田微生物群落对干湿交替周期的抵抗力及多功能耐受性:化学计量的关键作用

《Journal of Environmental Management》:How phosphorus enrichment regulates the microbial community resistance and multifunctions tolerance to drying–rewetting cycles in paddy fields: the critical role of stoichiometry

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月23日 来源:Journal of Environmental Management 9.2

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   摘要随着施肥和节水灌溉的增加,干湿交替循环(DWCs)和磷(P)积累在稻田土壤中发生得更为频繁。然而,微生物对这些干扰的抗性反应仍不清楚。我们建立了一个微宇宙实验,设置了五个磷积累梯度(P0–P4,0.55–1.35?g?P kg?1 土壤)和四个模拟 DWCs,以探讨微生物

  

摘要

随着施肥和节水灌溉的增加,干湿交替循环(DWCs)和磷(P)积累在稻田土壤中发生得更为频繁。然而,微生物对这些干扰的抗性反应仍不清楚。我们建立了一个微宇宙实验,设置了五个磷积累梯度(P0–P4,0.55–1.35?g?P kg?1 土壤)和四个模拟 DWCs,以探讨微生物群落和生态系统多功能性(EMF)的抗性。DWCs 通常加剧了微生物碳限制并抑制了 EMF,而这些反应随磷积累水平不同而有显著变化。中等磷积累水平(P2,0.75?g?P kg?1)引起土壤和微生物 C:N:P 化学计量比的变化最小,同时未显示出统计学上可检测的 EMF 下降,且群落属性相对稳定的。相比之下,低磷和高磷水平都与 DWCs 下更大的化学计量失衡、微生物稳定性降低和 EMF 损失有关。值得注意的是,细菌和真菌群落稳定性仅在 P2+DWC 处理下在统计学上未改变,促进了群落组成抗性与多功能耐受性之间更平衡的权衡。此外,土壤养分和微生物化学计量比的变化与该权衡的相关性比酶化学计量学更强。综上所述,我们的研究结果揭示了沿磷积累梯度的土壤 - 微生物化学计量平衡与微生物对干湿交替干扰的抗性之间的联系,为中度磷水平如何在稻田土壤水文波动加剧的情况下稳定微生物群落和酶提取物提供了重要见解。

引言

环境干扰日益被认为是土壤生物地球化学不稳定的主要驱动因素。其中,干湿交替循环(DWCs)在全球气候变化下变得更为频繁,对土壤微生物施加了强烈的生理和物理胁迫,并经常在复湿期间触发快速的养分脉冲(Oskonbaeva et al., 2024; Singh et al., 2023; Yakubu et al., 2025)。在农业生态系统中,特别是稻田土壤,这种水分波动因水分管理措施而进一步加剧,包括中期排水、干湿交替和定期田间干燥(Echeverría-Progulakis et al., 2025a, 2025b)。这些措施有意在洪涝和非洪涝条件之间创造重复转换,产生类似 DWCs 的干扰,可能大幅改变微生物活性和养分周转(Cao et al., 2022; Majumdar et al., 2023)。与此同时,长期集约化施肥已导致全球许多农业土壤中磷(P)大量积累(Panagos et al., 2022)。过量的磷添加重塑了养分供应和微生物微环境,而重复的 DWC 周期进一步加剧了施肥引起的长期养分失衡(Kong et al., 2022; Liu et al., 2023)。虽然 DWCs 和养分输入对土壤过程的单独影响已得到广泛研究,但磷积累和 DWC 诱导胁迫对土壤 - 微生物化学计量学的交互作用仍理解不足(Kong et al., 2022; Martinengo et al., 2025)。
生态化学计量学提供了一个有用的框架,用于将资源可用性与微生物代谢需求联系起来(Cui et al., 2024; Graham and Hofmockel, 2022)。土壤微生物即使在外部养分供应波动的情况下,也努力维持相对稳定的生物量 C:N:P 比(Asada et al., 2022; Fang et al., 2022)。环境化学计量失衡可以深刻改变微生物养分限制、资源分配模式和代谢策略(Wang et al., 2023)。这些适应性反应主要体现在改变的微生物生物量化学计量学和分泌的获取碳、氮和磷的胞外酶(Brown et al., 2022; Huang et al., 2021)。由于此类化学计量调整直接调节微生物代谢,它们进一步塑造了微生物群落动态和生态系统功能(Kong et al., 2022; Mao et al., 2024; Matthews et al., 2023)。然而,在包括磷积累和重复 DWCs 的耦合变化下,化学计量重组如何桥接资源失衡和微生物生态反应仍不清楚。
土壤微生物系统对干扰的反应可以从两个互补的角度进行评估:群落抗性和功能耐受性(Du et al., 2023; Kost et al., 2024; Philippot et al., 2021; Wang et al., 2022a)。群落抗性指的是干扰下微生物群落组成的稳定性,而功能耐受性代表生态系统过程和功能在环境变化下持续的能力(Kost et al., 2024; Philippot et al., 2021; Wang et al., 2022a)。越来越多的证据表明,这两个稳定性维度并不总是同步变化,生态系统功能的维持往往以群落组成稳定性为代价(Philippot et al., 2021)。化学计量偏移可以重塑微生物养分获取策略、种间相互作用和群落构建,从而在调节群落和功能耐受性方面发挥核心作用(Zheng et al., 2025)。然而,在磷积累和 DWCs 的综合作用下,这两种属性如何响应、是否存在固有的权衡,以及化学计量重组如何介导这种权衡仍 largely 不清楚。
为了探讨不同的磷积累水平如何调节微生物对水分干扰的反应,我们建立了土壤磷积累梯度并使土壤暴露于模拟的干湿交替循环。具体而言,本研究的目的是:(1)确定磷积累如何调节 DWC 条件下与养分限制和微生物生物量相关的化学计量学;(2)探讨化学计量偏移、微生物群落构建及其生态功能之间的联系;以及(3)评估磷和水文变化共同作用下的群落抗性与功能耐受性之间的权衡。我们假设适度的磷积累在 DWC 条件下能更好地维持养分和微生物化学计量平衡,从而在很大程度上减轻微生物群落稳定性与生态系统多功能性之间的权衡。这项工作的发现将加深我们对养分和水文耦合调节土壤微生物恢复力的机制理解,并为频繁干湿交替干扰下稻田生态系统的合理磷管理和生态稳定性维持提供理论见解。

章节片段

土壤采集、磷积累和干湿交替培养

表层稻田土壤(0-20?cm)采集自中国南京太湖地区江宁区的一个水稻田。去除可见的植物残体和石头后,土壤风干、均质化并通过 2-mm 筛。微宇宙实验建立于 750-mL 聚丙烯容器中,每个容器包含 500?g 预处理土壤。有关站点描述、土壤理化性质和培养条件的详细信息见补充文本 S1。
五

土壤理化性质和养分有效性

在磷积累梯度中,DWC 通常降低有效磷(AP),同时增加无机磷(IP)组分(图 S1)。此外,磷积累和 DWC 共同改变了土壤理化性质,特别是 pH 值和土壤碳氮状况(图 S2)。DWC 后土壤 pH 值显著下降,且随着磷积累增加这种下降加剧;最低 pH 值出现在 P4 处理中。同样,所有处理在 DWC 后土壤有机碳(SOC)显著下降。全氮通常在

适度磷积累缓冲 DWC 诱导的化学计量扰动

本研究表明,适度磷积累通过两种途径缓解 DWC 引起的生态不稳定性:土壤肥力改善和干扰衍生资源脉冲与微生物代谢需求之间优化的化学计量匹配。复湿事件已被充分记录为通过微生物细胞裂解触发强烈的生物地球化学脉冲,这通常会释放大量有效碳氮磷。然而,磷的释放往往与碳和氮不同步,导致瞬时的

结论

我们的研究阐明了磷积累从 0.55 到 1.35?g?P kg?1 以非线性方式调节稻田土壤微生物群落和酶提取物对重复 DWCs 的属性。沿实验磷梯度,0.75?g?P kg?1 的中等磷水平通过减轻 DWC 诱导的土壤和微生物 C:N:P 化学计量偏移,并对细菌群落稳定性进行有效保护,从而对 EMF 发挥维持能力。中等土壤磷水平还显示出最小的描述性分歧

CRediT 作者贡献声明

Jiaying Wang: 概念化,数据管理,方法论,软件,撰写 – 初稿。 Yi Xu: 概念化,方法论,撰写 – 初稿,撰写 – 审查与编辑。 Tinghong Fu: 概念化,形式分析,调查,方法论。 Guoxiang You: 概念化,资金获取,撰写 – 审查与编辑。 Rui Wang: 调查,方法论,软件。 Tianyun Li: 调查,方法论。 Zewei Jiang: 可视化,撰写 – 审查与编辑。

手稿准备过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术声明

在工作准备过程中,作者未使用 AI 辅助技术。作者审查并编辑了内容,并对出版文章的内容承担全部责任。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢

我们感谢 自然 科学基金 中国(42377378, 42107386)、中国西藏自治区科技项目(XZ202501ZY0015, XZ202401YD0009)、浅水湖泊综合治理与资源开发 教育部 河海大学 开放研究基金(B240203001)的支持。
Jiaying Wang|Yi Xu|Tinghong Fu|Guoxiang You|Rui Wang|Tianyun Li|Zewei Jiang|Shihong Yang
河海大学农业科学与工程学院,中国南京,210098,中华人民共和国
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