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本研究探讨保护性耕作（免耕和少耕）对土壤微生物C、N、P代谢功能及营养限制模式的影响。结果表明，长期保护性耕作显著增加土壤有机碳，缓解微生物C限制，但N、P限制方向未变。通过酶比模型和宏基因组测序，揭示了pH、有机碳、酶比及微生物代谢共同调控营养限制和CUE的机制，为可持续农业提供新见解。
王伟燕|袁平德|沈鹏飞|李月|郝晨阳|廖云成|文晓霞
中国陕西省杨陵市西北农林科技大学农学院
摘要
土壤微生物代谢中的养分限制会影响农业生态系统中的碳利用效率（CUE）和土壤碳积累。然而，保护性耕作措施，尤其是在长期应用于雨养农田的情况下，通过影响微生物对碳（C）、氮（N）和磷（P）的代谢功能，其对养分限制的具体影响仍不明确。本研究收集了在传统耕作（犁耕，PT）作为对照以及保护性耕作（免耕，ZT）和凿式犁耕（CPT）条件下进行的长期和短期田间实验的土壤样本，并利用胞外酶化学计量模型（EES）和宏基因组测序技术，量化了微生物对C、N和P的代谢能力与养分限制之间的关系。从冬小麦的分蘖期到开花期，保护性耕作土壤中的养分限制从磷限制转变为氮限制。而传统耕作处理的土壤始终表现为磷限制。宏基因组测序结果显示，长期保护性耕作显著增加了微生物群落的丰富度、多样性和均匀性。随着耕作强度的增加，微生物介导的C、N和P的代谢能力以及编码关键C、N和P酶的功能基因的丰度发生了不平衡的变化。基于长期和短期保护性耕作实验数据，偏最小二乘路径模型表明，土壤有机碳（SOC）和C功能微生物的多样性控制着微生物的碳限制，而微生物的氮和磷限制则受到pH值、SOC、微生物生物量碳（MBC）、MBP和β-1,4-N-乙酰-葡胺酶（NAG）基因丰度的调控。我们的发现表明，保护性耕作导致的微生物养分限制和CUE的变化受pH值、SOC、EES和微生物代谢的调控，为理解土壤微生物功能与SOC积累之间的关系以及对耕作措施的响应提供了新的见解。
引言
土壤有机物的生物地球化学转化和养分循环在本质上依赖于微生物活动（Dai等人，2021年），这些活动表现出依赖于底物的调节模式，如碳（C）、氮（N）和磷（P）（Li等人，2024年）。当养分供应受限时，微生物通过调节胞外酶谱来适应改变的土壤C:N:P资源状况，从而影响养分循环并重塑土壤元素比例（Xu等人，2022年）。在农业生态系统中，保护性耕作可以改变土壤C:N:P的化学计量比、微生物群落组成和代谢功能，进而影响微生物的养分限制模式和碳利用效率（CUE）（Li等人，2022年）。然而，不同耕作方式下土壤微生物介导的C、N和P代谢功能、养分限制特征及其对CUE的影响之间的关系仍不明确。
微生物代谢直接调节土壤有机碳（SOC）的周转和N、P的循环，从而影响土壤养分的有效性（Hu等人，2024年；Kallenbach等人，2016年；Nelson等人，2016年）。微生物养分需求与底物供应之间的不平衡会改变养分循环的方向和强度（Wang和Kuzyakov，2024年）。例如，为了应对养分限制，微生物会重新分配资源，从生长转向养分获取，从而降低CUE（Sinsabaugh等人，2013年）。缓解微生物的养分限制可以提高CUE，进而增加微生物生物量碳（MBC）和死亡细胞量，促进SOC的积累（Fanin等人，2016年）。氮的添加会刺激磷的产生和活性，从而加速磷循环；相反，过量的磷会抑制磷酸酶的活性（Marklein和Houlton，2012年）。同时，微生物群落通过调整资源获取特性（包括底物特异性、生物量周转和养分动员及α-多样性）来调节土壤养分浓度和化学计量比（Yang等人，2024a）。关于微生物对土壤有机物、养分循环及其对养分限制适应性的影响已有大量研究；然而，关于微生物代谢如何影响土壤养分限制的机制的研究仍较为有限。
保护性耕作（CT）通过减少或免耕以及秸秆还田显著改善了土壤结构、微生物群落功能和肥力，促进了可持续农田的发展（Morugán-Coronado等人，2022年；Zhu等人，2024年）。CT可能有利于SOC、总氮（TN）和总磷（TP）的积累（Lv等人，2023年），从而可能改善养分化学计量比。例如，一项研究报道，在17年后，CT显著提高了C:N、C:P、C:K和N:P的比例，影响了微生物生物量C:N:P的化学计量平衡（Ren等人，2023年）。此外，CT下土壤微生境稳定性的改善增强了微生物多样性和C-N循环功能（Wang等人，2021年；Zhang等人，2025年）。耕作方式导致的微生物群落变化会引起功能基因丰度的大规模变化，影响SOC周转和N、P循环动态（Wang等人，2021年；2023年；Yang等人，2024b）。CT还改变了参与能量需求的生态酶和天然微生物功能的活性，如C和P的获取酶；然而，这些变化的模式各不相同（Wen等人，2023年）。尽管已有大量研究探讨了不同耕作方式下的土壤C:N:P化学计量比，但关于长期CT下微生物代谢能力与养分限制之间相互作用的理解仍存在关键空白。因此，阐明微生物代谢和群落对土壤养分限制的响应对于提高农田的内在肥力至关重要。
基于以往的研究进展和知识空白，我们认为长期CT更显著地影响微生物特性，可能会通过改变土壤养分含量来改变微生物的养分限制。我们假设长期保护性耕作可能通过调节C-N-P的微生物代谢功能来改变微生物的养分限制，从而影响干旱农田中的CUE。本研究旨在：（1）探讨减少或免耕的做法及其持续时间如何影响土壤酶化学计量比、微生物养分限制和CUE；（2）确定减少或免耕的做法及其持续时间对微生物代谢的影响；（3）揭示微生物代谢与微生物养分限制之间的关联及其对CUE的影响。
研究地点
研究地点位于中国陕西省杨陵市的西北农林科技大学实验田。该地区的气候条件属于暖温带季风半湿润区，年平均气温为12.9°C，年太阳辐射时间为2163.8小时，年平均降水量为635.1毫米。该地区的土壤类型为Alfisol（土壤调查人员，2010年），具有中等渗透性和较低的有机质含量。
土壤pH值、总养分、微生物生物量及其化学计量比
研究结果表明，耕作方式和持续时间显著影响了土壤pH值、总养分和微生物生物量，保护性耕作（ZT和CPT）与传统犁耕（PT）之间存在差异。具体而言，与初始土壤样本的SOC含量相比，经过14年的不同耕作处理后，只有ZT处理的SOC含量有所增加，而CPT处理的SOC含量保持不变，PT处理的SOC含量则有所下降。
保护性耕作影响微生物养分限制
研究结果表明，保护性耕作增加了微生物的碳限制，而长期保护性耕作虽然缓解了这一限制，但并未改变微生物的氮和磷限制的方向。这一结果与先前的研究一致，这些研究强调了保护性耕作通过减少物理扰动和增加作物残茬保留来促进SOC积累的作用（Ahmad等人，2022年；Sae-Tun等人，2022年）。在本研究中，微生物碳限制的增加可能是由于...
结论
长期保护性耕作（CT）系统通常由于持续加入作物生物量而表现出较高的SOC水平。这种管理方式通过优化生态酶的化学计量比和改善干旱农业生态系统中的微生物对C、N和P的吸收能力，提高了微生物的CUE。我们的研究表明，CT实施14年后，微生物的CUE显著提高。CUE的提高与耕作持续时间密切相关。
作者贡献声明
王伟燕：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、资金获取、数据分析、数据整理、概念构建。
袁平德：数据收集与分析。
廖云成：撰写——审稿与编辑、概念构建。
文晓霞：撰写——审稿与编辑、概念构建。
沈鹏飞：数据收集与分析。
李月：数据收集与分析。
郝晨阳：数据收集与分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国博士后科学基金会（2024M752630）、国家自然科学基金（32301966）、山西省重点科技项目（202301140601014–03）、陕西省重点研发计划项目（2023-ZDLNY-03）和中国高校科学基金（2452023081）的支持。同时，我们也感谢西北农林科技大学作物生物学创新中心提供的宝贵支持。
