《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Long-term fertilization shaped soil organic matter molecular diversity via microbial functional regulation in paddy soil
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土壤有机质（SOM）分子多样性受微生物功能特性调控，14年田间实验表明有机肥通过增强微生物代谢多样性提升SOM复杂性与碳稳定性，其中粪便在表层土促进芳香与脂类积累，秸秆在深层土提高纤维素分解能力，且功能性状差异比施肥类型更显著影响SOM组装。
陈书同|朱凯奥|高芳|杨 Bowen|柯先林|米文海
中国扬州大学环境科学与工程学院，扬州 225127
摘要
土壤有机质（SOM）的分子多样性是其持久性的基础，然而施肥如何在分子水平上改变SOM的微生物组成在稻田土壤中仍知之甚少。在此，我们将中国亚热带地区的14年野外实验与热解气相色谱/质谱（Py-GC/MS）和宏基因组学相结合，以阐明施肥制度如何影响不同土层（表土，0–15厘米；底土，15–30厘米）中SOM的分子多样性。比较了四种施肥制度：不施肥（CK）、仅施用合成NPK肥料（NPK）以及NPK与牛粪（NPKM）或稻草（NPKS）结合使用。有机改良剂以特定深度的方式增强了土壤有机质（SOM）的分子多样性。施用牛粪使表土的SOM丰富度、香农指数和均匀度分别增加了35.9%、15.4%和9.6%，而添加稻草则使底土的SOM丰富度和香农指数分别增加了30.6%和16.4%（p < 0.05）。相比之下，β-多样性更多地受土层深度的影响（R2 = 0.32，p < 0.001），而非施肥（R2 = 0.19，p < 0.001）。这些模式是由微生物功能特征的显著变化所支持的。稻草富集了半纤维素降解酶，而牛粪则促进了木质素降解酶和几丁质降解酶的活性，并上调了脂质生物合成基因，从而增加了表土中的芳香族化合物转化和脂质积累。底土中的脂质库因甾醇和甘油磷脂基因的下调而减少。网络分析和路径分析表明，微生物功能特征而非单纯的施肥输入是连接施肥与SOM分子多样化的主导因素（路径系数 = 0.94，p < 0.05）。总体而言，我们的发现表明有机改良剂扩展了微生物的代谢谱系，增强了SOM与微生物的相互作用，从而提高了SOM的分子复杂性和碳稳定性。这种机制理解为优化施肥策略提供了基于微生物组的框架，以维持稻田系统的土壤碳和生态系统功能。
引言
土壤有机质（SOM）是地球上最大的碳储存库，在维持土壤肥力、支持生态系统功能和调节气候方面起着关键作用（Rumpel等人，2018年；Cotrufo和Lavallee，2022年）。最近的证据表明，SOM的分子多样性是微生物处理的结果，也是土壤有机碳（SOC）持久性的关键相关因素（Lehmann等人，2020年；Jones等人，2023年）。当微生物分解异质性有机物质时，会产生化学多样性丰富的代谢物和死亡物质，这些物质倾向于积累并抵抗进一步的分解（Cotrufo等人，2013年；Huang等人，2025年）。相比之下，在底物异质性有限的情况下形成的低多样性分子库更容易被专门的微生物群落（如快速生长的异养菌，它们以化学简单且易分解的底物为目标，包括糖类和低分子量化合物）矿化（Jiménez-González等人，2018年；Martinovi?等人，2022年）。这些发现突显了微生物代谢在塑造SOM多样性和稳定性中的核心作用。
稻田土壤是一个全球重要的农业生态系统，占耕地面积的约10%–11%（FAOSTAT，2023年），并储存了耕地土壤中近14%的SOC（Liu等人，2021年）。其高生产力、持续的有机输入以及交替的氧化还原条件为土壤碳封存创造了机会和挑战（Pan等人，2004年；Liu等人，2023年）。这些独特的生物地球化学条件不仅调节了SOC的数量，还强烈影响了其分子组成和转化途径（Chen等人，2024a；Chen等人，2024b）。反复的淹水-排水周期加上长期施肥可以深刻改变微生物代谢和有机物质的处理过程，可能重塑SOM的分子多样性（Wang等人，2023年；Yang等人，2025年）。由于SOM的分子多样性已成为碳持久性和功能稳定性的关键决定因素（Lehmann等人，2020年），因此了解其在稻田系统中的组成和调节机制对于预测集约化管理下的长期SOC动态至关重要。
微生物是SOM转化的核心中介。它们吸收来自植物的各种输入物质，从可溶性糖和氨基酸到更难分解的木质素、酚类和脂类，并将其转化为多种代谢物、微生物死亡物质和细胞外聚合物（Gleixner等人，1999年；Allison和Martiny，2008年）。通过体内转化和体外修饰，微生物处理不断生成新的分子结构（Liang等人，2017年），其中许多结构通过矿物相互作用或聚集保护而稳定下来（Lehmann和Kleber，2015年；Sokol等人，2022年）。SOM转化的轨迹受到微生物功能特征的强烈影响。碳水化合物活性酶（CAZymes）驱动多糖降解，而脂质和芳香族化合物降解途径决定了更复杂底物的命运（Malik等人，2020年；Whalen等人，2024年；Yu等人，2024年）。通过这些酶学和代谢策略，微生物群落将有机输入物质重新构建成日益多样化的分子组合，从而增强SOM的复杂性并有助于长期碳的持久性（Davenport等人，2023年；Yang等人，2025年）。然而，长期施肥下微生物功能特征在多大程度上塑造SOM的分子多样性仍不清楚。
施肥是水稻系统中的主要人为驱动因素，包括化学肥料和有机改良剂。有机输入提供了化学多样性的化合物，可以在有利的稳定条件下丰富SOM分子库并增强土壤碳储存（Chen等人，2024c；Simon等人，2025年）。化学肥料主要通过改变养分可用性间接影响SOM动态，从而重塑微生物活动和分解途径（Tian等人，2017年；Geng等人，2021年）。通过这些机制，施肥可能促进碳封存，但也可能重塑微生物群落及其功能特征，最终影响SOM分解与稳定之间的平衡（Vitali等人，2024年；Mi等人，2025年）。重要的是，这些效应的幅度和方向取决于施肥制度和土层深度。例如，平衡的有机-无机输入可以增加SOM的多样性和持久性（Chen等人，2024c），而长期氮肥富集通常会刺激微生物分解，抑制微生物多样性并加速SOC损失（Jian等人，2016年）。深度进一步调节了这些响应，因为表土和底土层之间的资源可用性和微生物功能能力存在显著差异（Peng等人，2025年）。
尽管越来越多的人认识到SOM多样性是SOC持久性的决定因素（Lehmann等人，2020年；Jones等人，2023年），但目前的大部分理解基于自然或未受干扰的生态系统（Davenport等人，2023年；Bonnefoy-Claudet等人，2025年）。相比之下，集约管理的稻田土壤具有长期施肥、持续输入和动态的氧化还原条件，这可能导致根本不同的SOM组成途径。然而，施肥如何塑造SOM分子多样性的机制——无论是通过直接的化学输入还是间接的微生物介导途径——仍不甚清楚。由于资源可用性和微生物功能可塑性的限制，储存了大量SOC的底土可能与表土有所不同。
总体而言，先前的研究表明，施肥可以通过多种微生物介导的过程影响SOM的形成。然而，微生物功能特征与群落结构的相对重要性，以及这些机制在稻田系统不同土层中的运作方式仍不清楚。为了解决这些知识空白，我们在亚热带稻田土壤进行了为期14年的野外实验，结合了基于热解气相色谱/质谱（Py-GC/MS）的SOM分子分析和对微生物功能特征的宏基因组学分析。我们假设：（i）长期施肥主要通过改变微生物功能特征而非群落结构来影响SOM的分子多样性；（ii）有机改良剂通过刺激能够处理化学异质性底物的多样化代谢网络来增强SOM的复杂性；（iii）这些效应依赖于深度，底土的响应受到资源稀缺和微生物灵活性降低的限制。通过将施肥、微生物功能和SOM多样性在不同土层中的变化联系起来，本研究旨在提供关于集约管理稻田生态系统中SOM持久性机制的见解。
实验设计和土壤采集
在中国浙江省金华市新竹村（119° 27′ E，29° 01′ N）开展了一项为期14年的野外实验（2011年6月至2024年11月）。该地区具有亚热带季风气候，年平均温度为17.5℃，年平均降水量为1424毫米，年平均日照时间为约1800小时，无霜期为263天。自20世纪80年代以来，该土壤一直用于连续种植水稻，根据分类标准属于Ultisol类型
Py-GC/MS揭示的SOM分子特征
长期施肥显著增强了SOM的分子α-多样性，并在不同土层中表现出明显的分层（图1a）。在表土中，NPKM使SOM的丰富度（增加了35.9%）、香农指数（增加了15.4%）和均匀度（增加了9.6%）（p < 0.05）。在底土中，NPKM和NPKS都增加了SOM的丰富度（分别增加了17.8%和30.6%），而只有NPKS显著增强了香农多样性（增加了16.4%）和均匀度（增加了11.4%）（p < 0.05）。相比之下，β-多样性则
长期施肥对SOM分子多样性的深度分层响应
施用牛粪（NPKM）增强了表土中的SOM分子α-多样性，而添加稻草（NPKS）在底土中产生了更强的效果（图1a）。这种深度特异性差异反映了两种有机改良剂在底物化学性质和移动性方面的根本差异。牛粪提供了广泛的易分解和化学异质性化合物，这些化合物被表层微生物群落迅速吸收，生成了多样的转化产物和微生物
结论
我们的14年野外实验表明，长期施肥主要通过微生物功能特征而非分类组成来调节SOM的分子多样性。有机改良剂以特定深度的方式增强了SOM的α-多样性，牛粪促进了表土中化学复杂芳香族和脂质衍生化合物的积累，而稻草则优先增加了底土中碳水化合物衍生成分的积累。在不同处理组中，SOM的β-多样性
CRediT作者贡献声明
陈书同：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，软件使用，方法学研究，资金获取，概念构思。米文海：写作 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。柯先林：可视化，监督，方法学研究。杨 Bowen：正式分析，数据管理。高芳：软件使用，方法学研究，调查，正式分析。朱凯奥：方法学研究，调查，正式分析，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号32472833和42307417）的支持。
