二十年基于粪肥的低投入和有机管理通过提升植物与微生物生物标志物含量来增强土壤有机质

《Applied Soil Ecology》：Two decades of manure-based low-input and organic management enhance soil organic matter by boosting plant and microbial biomarkers

　　

摘要

尽管有机肥料被普遍认为能够增强土壤有机碳（SOC）的保持并促进土壤肥力，但其调控SOC生物化学特性的内在机制仍知之甚少。为填补这一空白，我们采集了华北地区一项为期20年的温室试验中表层（0–20 cm）土壤样品，该试验包含三种耕作体系：常规（CON；30%有机肥和70%化肥）、低投入（LOW；50%有机肥和50%化肥）和有机耕作（ORG；100%有机肥）。我们定量测定了特定的SOC分子标志物，包括可提取物脂、植物木质素和微生物氨基酸糖，同时测定了胞外酶活性和碳利用效率（CUE）。结果表明，与CON相比，ORG和LOW使土壤全土SOC含量分别提高了101.6%和52.2%，颗粒态有机碳（POC）提高了231.5%和100.8%，矿物结合态碳（MAOC）提高了32.8%和26.8%。与CON相比，ORG和LOW分别使微生物来源的脂类（如短链脂类（< C₂₀））和单糖提高了48.9%和32.3%，植物来源的脂类（如长链脂类（≥ C₂₀））和甾醇提高了148.1%和77.5%。与CON相比，ORG和LOW分别使木质素酚类提高了58.4%和44.7%，微生物残体提高了66.9%和34.2%（其中细菌来源分别提高了63.6%和46.6%，真菌来源分别提高了71.5%和16.6%）。此外，有机肥（尤其是ORG）提高了酶活性，缓解了微生物磷限制，并增强了CUE。综上所述，有机耕作和低投入耕作可被视为温室条件下通过累积植物和微生物来源生物分子来提高SOC水平的有效策略。

引言

土壤有机质（SOM）对于支撑土壤质量、优化土壤功能和应对气候变化至关重要（Das et al., 2023; Hoffland et al., 2020）。然而，集约化温室种植中大量施用矿物肥料、农药和除草剂，已导致土壤酸化、盐渍化、养分失衡和土壤有机碳（SOC）耗竭（Kalkhajeh et al., 2021; Wang et al., 2025a）。有机耕作和低投入耕作作为两种主要的替代农业形式，因其强调有机肥施用并最大限度减少化学投入品，日益被视为环境可持续且气候适应力强的策略（Wittwer et al., 2021; Yu et al., 2025）。近期研究表明，替代耕作可增加SOM储存量并改变其动态过程，从而潜在地提高生物多样性丰度及整体土壤多功能性（Crystal-Ornelas et al., 2021; da Silva et al., 2025）。然而，关于温室条件下长期有机和低投入体系中SOM生物化学特性的研究仍然有限。因此，有必要探索SOM特征，如分子组成、活性、来源等，并阐明其对替代耕作实践的响应机制。

目前，SOM被认为是一个由植物和微生物来源的生物分子组成的复杂集合体，这些分子不断地转化和分解（Lehmann and Kleber, 2015）。尽管过去认为SOM主要由木质素等植物残体构成，但近期研究表明微生物残体在SOM形成中发挥着重要作用（Angst et al., 2021; Zhou et al., 2023）。已有大量研究比较了有机耕作与常规耕作在作物产量、环境影响和土壤功能方面的差异（Seufert and Ramankutty, 2017; van Rijssel et al., 2025）。然而，有机和低投入实践对SOM固存和稳定的影响仍是一个持续争论的话题（Jin et al., 2026; Xia et al., 2026）。通过施用堆肥粪肥和作物秸秆等有机投入品的有机耕作方式，可提高区域和局部SOC水平（Gattinger et al., 2012; Wen et al., 2025）。一些研究认为，有机耕作中SOC增幅的提升主要与外部有机投入品的施用有关，而非与常规管理相比SOC稳定性的内在增强（Alvarez, 2021; Leifeld and Fuhrer, 2010）。此外，有机肥不仅提高了SOM含量，还改变了植物和微生物来源的组分（Zhou et al., 2023）。通过有机添加引入易降解物质，可增强微生物活性和周转，导致微生物和植物残体的累积（Bian et al., 2024; Li et al., 2020; Wang et al., 2026）。尽管有这些发现，基于粪肥的耕作体系如何改变SOM的生物化学组成和稳定性仍不清楚。因此，全面理解SOM的分子组成和持久性，对于制定提高SOC储存和土壤质量的有效策略至关重要。

有机肥施用已被证明能改善土壤生物质量并改变SOC组成（Krause et al., 2022; Li et al., 2020），突出了土壤生物学与化学之间的紧密联系。在实施有机肥管理时，了解土壤微生物如何在生物量生长、酶化学计量和呼吸之间分配碳，对于解析SOM动态至关重要（Liang et al., 2017; Wang et al., 2025b）。近期研究表明，有机肥可以提高水解酶活性并改变酶化学计量（Sun et al., 2025; Wang et al., 2026），反映了微生物对资源失衡的适应，这显著影响SOC转化途径和固存。此外，碳利用效率（CUE），即微生物生长量与碳吸收量的比例，是理解SOC周转过程的一个综合指标（Zhou et al., 2025）。近期研究提示，粪肥堆肥可以提高基质质量和养分有效性，通过调控微生物代谢和酶化学计量，潜在地增强微生物CUE（Liu et al., 2026; Wang et al., 2026）。然而，有机和低投入耕作提升SOM水平的实际潜力仍不确定，这突显了通过长期田间试验进一步探索其对SOM生物化学的影响及内在机制的必要性。探索有机和低投入耕作体系中酶化学计量、微生物CUE与SOM化学特性之间的联系，可以为理解控制有机质转化和稳定的机制提供有价值的见解。

在本研究中，我们整合了三种生物标志物——可提取物脂、植物木质素和微生物氨基酸糖——以及胞外酶活性和CUE，以探索有机和低投入耕作实践对SOM去向、植物和微生物来源组分分解及相应微生物机制的持久影响。我们的假设是：与当地常规实践相比，有机和低投入耕作将：(1) 由于有机肥投入增加，提高全土和不同分数中的SOC含量；(2) 改变SOM生物化学特性（如分子组成、来源和分解状态），有机和低投入实践的微生物和植物来源组分含量更高；(3) 增强胞外酶活性和微生物CUE，导致微生物残体累积。

章节片段

选址与实验设计

本研究在中国农业大学曲周实验站进行，该站位于华北地区河北省（36°52′N，115°01′E）。该地区属于大陆性季风气候，年平均气温为13.2 °C，年降雨量为542 mm。土壤质地为粉壤土（砂粒54%、粉粒28%、黏粒17%），归类为潮土（美国土壤分类法）。试验前0–20 cm层土壤初始性质为SOC 8.27 g kg

全土及各分数中SOC和TN的变化

与常规耕作相比，低投入和有机耕作提高了全土及各分数中的SOC和TN含量（表1）。与CON相比，ORG和LOW分别使SOC含量提高了101.6%和52.2%，TN含量提高了91.5%和40.4%。此外，SOC/TN比值排序为ORG = LOW > CON。另一方面，与CON相比，ORG和LOW分别使POC含量提高了231.5%和100.8%（表1）。同样，ORG和LOW导致

讨论

通过利用强效生物标志物，我们揭示了低投入和有机管理实践二十年后SOM水平和分子组成的变化。我们的发现表明，由于植物和微生物来源组分的累积，全土及各分数中的SOC水平显著增加。这些结果可阐明特定的SOM生物标志物及其稳定性，有助于更好地理解稳定机制和持久性。因此，本研究

结论

通过利用强效生物标志物，二十年低投入和有机耕作已被证明能以独特的方式增强植物来源组分（如长链脂类、甾醇和木质素酚类）和微生物来源组分（包括短链脂类、单糖和氨基酸糖）的保存。低投入和有机耕作体系促进了微生物生物量和酶活性，进而提高了碳利用效率，最终增加了微生物残体

CRediT作者贡献声明

余占龙刚：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、形式分析、数据整理。金晓英：验证、调查。王晓：验证。李杰：写作——审阅与编辑。杜张流：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、方法论、获取资金、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号 42577382）的经费支持。我们感谢中国农业大学曲周实验站的史爱民在田间管理方面付出的辛勤努力。

余占龙刚|金晓英|王晓|李杰|杜张流

中国农业大学资源与环境学院生物多样性与有机农业北京市重点实验室，北京，100193，中国