长期无机施肥可提高旱地而非稻田中微生物的碳利用效率和死亡生物量

《CATENA》：Long-term mineral fertilization increases microbial carbon use efficiency and necromass in upland but not in paddy soils

　　# 要点摘要- 长期矿物质施肥仅在旱地土壤中提升了微生物碳利用效率（CUE）。- 旱地中微生物残体随NPK施肥增加，但水田中没有这一现象。- 旱地CUE的提升与更高的磷有效性和碳降解能力相关。- 厌氧氧化还原条件限制了水田土壤中微生物的反应。- 水文制度主导了施肥对微生物碳贡献的影响。# 引言提升土壤有机碳（SOC）封存已被广泛认为是减缓气候变化、实现碳中和（Liu et al., 2020; Minasny et al., 2017）以及支撑农业生态系统可持续发展（Xu et al., 2022）的关键策略。虽然传统SOC形成范式强调植物源大分子难降解性，但如今一系列变革性的证据已将微生物残体碳（MNC）定位为稳定SOC库的主导且持久的贡献者（Ju et al., 2025; Kallenbach et al., 2016）。这一微生物途径从根本上受到一个核心生理性状——即微生物碳利用效率（CUE）——的支配，CUE决定了被同化的碳中用于生物量合成与呼吸损失之间的分配比例（Wang et al., 2021b; Yang et al., 2025）。细胞死亡后，由此产生的微生物生物量以残体形式进入SOC库，这被公认为微生物碳泵（Liang et al., 2017）。作为农业管理的主要杠杆，施肥通过改变养分化学计量比和能量流直接干扰这些微生物过程（Chen et al., 2021）。然而，一个关键的未解问题依然存在：长期矿物质施肥是否通过普遍机制构建这种稳定的、微生物来源的碳？还是其效应取决于特定的农业生态系统背景？上述知识缺口因世界上两大主要农业生态系统——好氧旱地和厌氧水田土壤——之间鲜明的生物地球化学差异而进一步凸显。与水文相关的氧化还原制度在微生物能量获取和生活史策略方面造成了重要差异（Wei et al., 2022）。在水田土壤中，合适的末端电子受体稀缺限制了能量保存，并将微生物代谢转向发酵途径和低能量产出的厌氧呼吸。在某些条件下，这可能减少碳矿化并改变微生物碳分配，但其对CUE的净效应可能取决于底物可用性、养分限制、末端电子受体可用性和主导的厌氧代谢途径（Dang et al., 2024; Deroo et al., 2021; Duan et al., 2024b）。相反，旱地的富氧环境支持高产的好氧代谢，这虽然促进了快速生长，但也可能导致更高的维持成本和更大比例的碳以CO?形式流失，尤其在资源失衡时更为明显（Calabrese et al., 2021; Sinsabaugh et al., 2013）。这种氧化还原驱动的代谢结构表明，这两个系统中的微生物群落从根本上被设定为对养分输入做出不同的响应。具体而言，就矿物质肥料而言，其施用传达了双重信号。一方面，它们可以通过缓解微生物合成代谢的化学计量约束来促进生长并增加CUE（Crowther et al., 2019; Shi et al., 2025; Wu et al., 2022）。另一方面，它们可以引起土壤酸化，进而重构微生物群落组成，并将碳流转向呼吸损失而非生物量积累（Chen et al., 2020; Dinc? et al., 2022）。当前文献中关于矿物质肥料对CUE影响的争议——有研究报道增加或减少（Feng et al., 2022; He et al., 2024; Sánchez-Rodríguez et al., 2024）——可能部分反映了农业生态系统背景的差异，特别是水田与旱地土壤之间的差异。然而，直接考察矿物质施肥如何影响这些对比系统中微生物CUE的比较研究仍然有限。然而，施肥对SOC的最终影响超出了即时的微生物代谢响应，取决于从微生物生长到持久残体碳的复杂途径，其中充满瓶颈。较高的CUE仅意味着微生物生物量前体库的扩大，并不自动保证碳封存的增强。微生物残体的稳定性取决于其形成速率与分解或稳定化速率之间的竞争（Hu et al., 2024; Prommer et al., 2020）。在此，土地利用类型通过两个关键过滤器决定了这一竞争的结果：残体的生物化学组成及其物理化学保护环境。真菌残体碳（FNC）富含几丁质并由黑色素屏蔽，与主要由较易降解的肽聚糖组成的细菌残体碳（BNC）相比，固有地具有更大的难降解性和对矿物表面的更强亲和力（de Goede et al., 2025; Wang et al., 2021a; Wang et al., 2024）。因此，理论上，CUE-FNC途径比CUE-BNC途径构成更高效的碳汇（Wang et al., 2023）。重要的是，土壤保护这种残体的能力在不同系统之间存在显著差异。水田土壤波动的氧化还原条件促进了反应性铁氧化物的形成，它们作为有机物的强吸附剂，同时促进残体在稳定微团聚体中的物理包埋（Patzner et al., 2020）。在旱地中，尽管有机-矿物结合是关键稳定化机制，但总体上更具氧化性的环境和快速营养级转移可能加速了保护不足残体的周转，尤其是BNC（Buckeridge et al., 2022b）。综合而言，一个关键的知识缺口仍然存在：长期施肥是否在水田和旱地土壤中通过相似机制影响微生物CUE、残体积累及其耦合关系，还是这些过程强烈依赖于土地利用类型。为弥补这一知识匮乏，我们利用了一个独特的水田和旱地配对三十余年施肥实验。本研究的关键优势在于将一个罕见的长期田间平台与整合分析框架相结合，该框架将微生物CUE、残体积累、土壤理化性质和宏基因组功能潜力跨越两种对比农业生态系统联系起来。因此，我们假设：（1）矿物质施肥通过缓解磷限制和维持碳降解功能，在旱地中提升微生物CUE和残体积累，而在水田中这些响应受到酸化和生物地球化学磷约束的抑制；（2）CUE与残体积累之间的关系在水田土壤中更强，因为微生物残体的物理化学保护得到增强。为检验这些假设，本研究旨在：（i）利用底物非依赖的1?O-H?O方法和氨基糖生物标志物，定量分析不同土地利用类型中长期施肥对微生物CUE和残体碳（MNC，包括真菌和细菌组分即FNC和BNC）的响应；（ii）系统分析与土壤性质、微生物群落结构（通过宏基因组测序和LEfSe分析）及碳降解功能基因丰度相关的变化；（iii）建立跨越这些对比农业生态系统中微生物CUE与残体碳组分之间的定量关系。# 章节摘要## 地点描述与长期实验长期田间实验在中国湖南省祁阳县（111°52′E，26°45′N）进行，该地区以亚热带湿润季风气候为特征。年均气温和年降水量分别为18°C和1255 mm。土壤分类为Ultisol（美国农业部土壤分类法），由第四纪红粘土发育而成。两个独立但相邻的长期田间实验分别始于1990年（旱地）和1982年（水田），并已维持超过30年（图1）。## 微生物代谢和土壤性质对长期施肥的响应长期施肥显著改变了微生物碳代谢，水田和旱地系统之间呈现对比模式（图2）。双因素ANOVA显示，土地利用类型（*p* < 0.05）和施肥处理（*p* < 0.001）对微生物CUE均有显著主效应，而二者的交互作用（*p* > 0.05）不显著（附表S3）。有机培肥（M和NPKM）在两个系统中均持续提升了微生物CUE。为进一步评估对NPK的响应，额外进行了……## 土地利用调节微生物代谢效率对矿物质施肥的响应我们的结果表明，长期矿物质施肥对CUE的影响在旱地和水田系统之间存在显著差异（图2）。在旱地土壤中，NPK处理显著将微生物CUE提高了35.4%，而水田土壤中未观察到显著变化。聚焦CK-NPK子集的双因素ANOVA揭示了土地利用类型与矿物质施肥之间存在显著交互作用（*p* < 0.05），表明水田和旱地对NPK的响应存在差异……## 结论基于稳健的长期实验平台（超过30年）和整合方法论，本研究证明微生物碳利用效率（CUE）和残体碳（MNC）在水田与旱地系统中对长期矿物质施肥的响应不同。这些结果揭示了土壤有机碳形成过程中土地利用特异性的机制。有机培肥在不同生态系统中持续增强了微生物CUE和MNC积累。相比之下，矿物质……## 作者贡献所有作者都对本研究做出了智力贡献和协助。原始概念由A.D. Cai提出。稿件由Z.Y. Li和A.D. Cai撰写。样品采集和土壤表征由C.J. Ren和A.D. Cai完成。数据分析由Z.Y. Li在A.D. Cai的协助下进行。## CRediT作者贡献声明**Ziyi Li：** 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，方法学，调查研究。**Di Lin：** 方法学，数据整理。**Huimin Zhang：** 方法学，调查研究。**Chengjie Ren：** 方法学。**Yu'e Li：** 方法学。**Andong Cai：** 撰写——审阅与编辑，资金获取。## 利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。## 致谢本研究得到国家自然科学基金（42477010）、中央公益性科研机构基本研究基金（BSRF202501）和中央公益性科研机构基本研究基金（Y2026YC57）的支持。