43年的部分有机替代作用影响了稻田土壤中微生物的组成以及复杂网络的稳定性

《Bioresource Technology》：Forty-three years of partial organic substitution shapes microbial assembly and multifaceted network stability in a paddy soil

　　

• •
  有机替代减少了随机过程的相对贡献。
• •
  中间类群的丰富度增加，提高了群落的均匀性和稳定性。
• •
  有机替代增加了关键类群的数量和生态网络的复杂性。
• •
  氮和硫的循环得到优化，增强了土壤生态系统的稳定性。

引言

随着农业系统的集约化，全球合成肥料的消耗量激增（Lin等人，2025年）。尽管长期大量依赖这些投入维持了全球作物生产，但同时加速了土壤有机质（SOM）的损失（Li等人，2023年）。据报道，耕地已经损失了大约50%的原始碳储量，导致土壤肥力显著下降。有机肥料的施用被广泛认为是一种重建SOM储备的有效措施（Wang等人，2025a）。这种做法不仅有助于保持养分供给、结构弹性和生态系统功能，还能提高产量（Liu等人，2026年；Ren等人，2025年）。

土壤微生物在养分转化、有机质分解和维持生态系统多功能性方面起着核心作用（Liu等人，2026年；Rillig，2026年）。最近的进展表明，微生物群落不仅仅是各类群体的简单集合，它们还受到随机（例如，扩散限制、漂移）和确定性（例如，环境过滤、竞争排斥）过程的影响（Huang等人，2025年；Li等人，2024年）。在均匀或资源丰富的环境中，随机过程通常占主导地位；而在稳定但资源有限的情况下，确定性选择则更为常见（Ning等人，2019年；Zhang等人，2021年）。此外，根据检测频率和环境敏感性，微生物可以被划分为短暂型、间歇型和持久型类群（Chen等人，2020年；Hu等人，2025年）。有机投入可能抑制极端短暂型和持久型类群，同时促进间歇型种群的发展（Luo等人，2023年；Ni等人，2021年）。然而，关于有机替代如何改变这两种对立组装机制之间的平衡，以及这种变化与类群分类之间的联系，目前仍缺乏证据。

微生物群落结构的变化直接影响生态系统功能，这被认为是生物地球化学循环的主要驱动力（He等人，2026年）。据报道，群落组成和组装过程的变化可以改变特定微生物类群的相对丰度，从而改变养分转化的遗传潜力（Li等人，2024年）。氮（N）和硫（S）循环是两个相互关联的养分途径，它们对碳可用性和微生物群落结构的变化特别敏感（Krause等人，2025年；Li等人，2026年）。有机氮矿化、硝化作用、厌氧氨氧化（anammox）和反硝化还原为铵（DNRA）都是受碳可用性和氧化还原条件影响的微生物介导过程（Arribas Tiemblo等人，2026年）。同样，硫循环控制着有机硫矿化、吸收性硫酸盐还原和硫化氢的产生，与土壤肥力和温室气体排放密切相关（Hinckley等人，2020年）。有机替代通过改变物理化学环境和微生物群落组成，可以同时调节多种养分循环途径的遗传潜力（Krause等人，2025年）。然而，目前仍缺乏整合群落组装、关键类群识别和功能基因丰度的全面评估。

为了解决这些知识空白，我们进行了一项田间实验，使用不同比例的有机肥料替代无机氮，包括不施用肥料（CK）、仅施用化学肥料（NPK）以及三种有机替代比例（7F+3O、5F+5O和3F+7O）。通过高通量扩增子和宏基因组测序，我们系统地研究了以下问题：（i）有机替代对微生物群落丰富度、均匀性以及短暂型、间歇型和持久型类群存在的影响；（ii）影响有机替代下群落组装的生态驱动因素；（iii）在有机替代下富集的特定微生物门或纲及其在共现网络中的关键作用；（iv）有机替代引起的关键氮和硫循环过程的遗传潜力变化。通过将群落组装理论与功能基因分析相结合，这项研究提供了关于长期有机替代和无机氮减少如何重塑土壤微生物群落并优化氮-硫循环潜力的机制见解，对设计可持续的农业生态系统施肥实践具有重要意义。

章节摘录

田间实验和土壤采样

土壤样本取自中国江西省南昌市的一个长期施肥试验站点（28°57′N, 115°94′E），该地具有亚热带季风气候，年平均温度约为17–18°C。试验土壤属于第四纪红土沉积物发育形成的黄色粘土。处理前的土壤基本理化性质见表格

有机替代和无机氮减少条件下土壤微生物群落结构的特征

用有机改良剂部分替代无机肥料被广泛推荐用于维持土壤肥力并减少化学投入（Ren等人，2025年）。有机物质提供复杂的碳源，改善土壤团聚性，并提高碳氮比，从而改变土壤微生物可用的栖息地和资源（Wang等人，2025b）。如图2a所示，以不同比例用有机肥料替代无机肥料

结论

本研究阐明了长期有机替代（特别是在高替代比例5F+5O和3F+7O下）如何重塑农田中的土壤微生物生态系统。在有机物质输入的情况下，随机过程（例如，漂移和扩散限制）对微生物群落组装的相对贡献显著降低。这一生态变化改变了微生物的生活史策略，有效抑制了短暂型类群的主导地位

CRediT作者贡献声明

Zhenling Li：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、研究设计、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Min Li：可视化、方法论、研究设计、正式分析、数据管理。Xiaokang He：验证、软件、正式分析、数据管理。Hua Zhang：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调。Chenghong Feng：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。Mingjun Ding：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42307495、42567005、42267046）、江西省赣鄱人才计划（gpyc20250064）的支持。感谢人工智能软件Gemini在示意图制作中的帮助。

Zhenling Li|Min Li|Xiaokang He|Hua Zhang|Chenghong Feng|Mingjun Ding|Gaoxiang Huang|Jia Liu