文章信息
期刊：Soil Biology and Biochemistry
题目：Long-term manure application enhances carbon use efficiency in soil aggregates by regulating microbial communities in cropland
通讯作者：徐明岗院士（山西农业大学）；蔡岸冬副研究员（中国农业科学院）
原文链接：https:///10.1016/j.soilbio.2025.109945
发表日期：2025-08-06
研究背景
土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中最大的碳储存库，其储量是大气和植被碳库的三倍以上。微生物在SOC的分解和形成过程中起着关键作用，微生物碳利用效率（CUE）反映了微生物将吸收的碳转化为自身生物量的能力。然而，长期施肥如何影响不同土壤团聚体中的微生物CUE尚不清楚，这限制了我们对土壤碳循环微观机制的理解。
研究方案
该研究在中国江西红壤区进行，设置了五种施肥处理：不施肥（CT）、单施氮肥（N）、氮磷钾肥（NPK）、单施有机肥（M）和有机肥配施化肥（NPKM）。通过分离不同粒径的土壤团聚体（>2 mm、0.25–2 mm、<0.25 mm），结合¹⁸O-H₂O标记法测定微生物CUE，并利用宏基因组测序、酶活性分析和底物质量评估，解析了施肥对微生物群落、网络结构及CUE的调控机制。
研究结果
微生物CUE：与CT和化肥处理相比，有机肥处理（M和NPKM）显著提高了大田土壤和团聚体中的微生物CUE，平均值分别提高了217%和206%。此外，有机肥处理使不同团聚体之间的CUE趋于一致，而CT和NPK处理下团聚体间存在显著差异。
微生物多样性：有机肥处理提高了细菌和真菌的α多样性，而化肥处理则降低了它们的多样性。此外，有机肥处理还增加了微生物群落的β多样性，使不同团聚体中的微生物群落趋于一致。
微生物网络复杂性：有机肥处理增加了细菌和真菌共现网络的复杂性，表现为节点数增加、平均路径长度缩短和模块化增强。相反，化肥处理则降低了网络复杂性。
关键细菌模块：研究发现细菌模块M11和M14与微生物CUE显著正相关。这些模块中富集了具有高碳同化潜力的细菌类群，如Blastocatellia和Gemmatimonadetes。
图1.不同长期施肥处理下土壤团聚体中微生物碳利用效率（CUE）、微生物生长速率和呼吸速率的变化
图2.不同长期施肥处理下土壤团聚体中细菌和真菌的α多样性变化
图3.基于Bray-Curtis距离的非度量多维尺度分析（NMDS）显示不同施肥处理下土壤团聚体中细菌和真菌群落的β多样性变化
图4.不同长期施肥处理下土壤团聚体中细菌和真菌的共现网络
图5.不同施肥处理下细菌模块与微生物碳利用效率（CUE）之间的回归分析
图6.不同施肥处理下细菌群落的相对丰度变化
图7.环境因素与细菌模块之间的相关性分析
图8.基于偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析施肥、土壤性质、底物质量、微生物群落和酶活性对微生物碳利用效率（CUE）的直接和间接影响
研究结论
该研究表明长期施用有机肥通过提供丰富的碳源和营养，显著提高了土壤微生物的碳利用效率，并通过增加微生物多样性、稳定微生物相互作用网络，促进了土壤碳的固定。此外，有机肥通过调节酶活性和底物质量，驱动关键细菌模块的变化，从而提高了微生物CUE。这些发现强调了有机肥在增强土壤碳固定和改善土壤健康中的重要作用，并为农业生态系统中土壤碳循环的微观机制提供了新的见解。