在施用多种来源的堆肥和化学肥料的情况下，土壤微生物群落表现出不同的时间演替模式

《Environmental Research》：Distinct Temporal Succession Patterns of Soil Microbial Communities under Multi-Source Compost and Chemical Fertilizer Application

土壤微生物群落对多元有机肥与化肥的时空响应及生态机制研究，通过360天土壤培养实验发现堆肥（CD/CM/FW）显著提升微生物多样性并形成差异化的时间动态模式：FW持续富集营养转化菌群，CD呈现周期性波动，CM产生滞后效应；而化肥（CF）导致多样性持续下降并富集氮循环专一菌群。研究揭示了微生物网络拓扑结构的动态重组机制，堆肥通过增强功能多样性维持复杂网络，而化肥通过简化结构提升连接性，其作用机制与土壤有机质动态（TN/DOC积累）及无机氮（NH4+-N/N）的时空变化密切相关，为精准堆肥应用提供理论依据。

　　

王燕|卢云|陈向宇|赵新宇|席北斗

桂林理工大学环境科学与工程学院，中国桂林，541000

摘要

了解在多源堆肥和化学肥料（CF）作用下土壤微生物群落的时间演替对于可持续农业至关重要。本研究调查了化学肥料和来自牛粪（CD）、鸡粪（CM）以及食物垃圾（FW）的堆肥在360天内对土壤微生物群落的影响。堆肥的应用增强了土壤微生物多样性，且具有明显的时间模式：食物垃圾堆肥持续丰富了微生物多样性，牛粪堆肥导致周期性波动，而鸡粪堆肥则产生了延迟的积极效应。化学肥料持续降低了微生物多样性，并形成了独特的细菌生态位。微生物群落随时间表现出明确的方向性变化，关键转折点分别出现在第14天（开始积极重组）和第150天（稳定期开始）。此外，鸡粪堆肥丰富了分解纤维素和半纤维素的微生物；牛粪堆肥促进了碳氮循环和互惠共生的微生物；食物垃圾堆肥增加了转化养分的功能性细菌以及一些与风险相关的微生物类群。化学肥料通过富集氮循环专家型微生物重新塑造了微生物群落。时间生物标志物表明，微生物群落从富营养型向寡营养型转变，其中17个早期丰富的属随着时间的推移而减少，这可能促进了死亡物质的积累。此外，堆肥促进了更复杂和更具韧性的微生物网络，并提高了功能多样性，而化学肥料尽管增加了连通性，却简化了群落结构。总体而言，这些结果强调了需要根据不同来源制定特定的堆肥策略以优化土壤生态系统服务。

引言

传统农业严重依赖基于氮的化学肥料（CF）来维持高作物产量（Zhao等人，2024年）。然而，化学肥料对土壤有机碳的贡献很小，其长期过度使用会导致生态系统退化（Zhao等人，2025a年）。堆肥富含活性微生物和微生物残留物，可以提高养分可用性，刺激微生物活动，促进碳封存，并减少对化学肥料的依赖（Ho等人，2022年）。土壤微生物调节养分循环和能量流动，是土壤肥力和健康的敏感指标（Adomako等人，2022年）。堆肥的应用增加了微生物生物量，并重塑了群落组成、多样性和共生关系（Zhang等人，2023年）。相比之下，化学肥料的长期使用往往会通过抑制生长缓慢的寡营养型微生物而降低微生物多样性和生物量（Pahalvi等人，2021年）。因此，研究人员建议部分用堆肥替代化学肥料（Neuenkamp等人，2024年）。不同原料制成的堆肥通常被视为通用产品。堆肥的生态价值主要由其生化特性决定，而各种有机废物来源中有机成分的异质性和复杂性导致了堆肥的独特生化特性（Zhao等人，2025a年）。因此，深入理解来自不同生物废物的堆肥和化学肥料如何随时间影响土壤微生物群落和生态功能对于指导旨在提高土壤质量的科学施肥策略至关重要，我们将其称为“以土壤需求为导向、基于堆肥质量的利用策略”。

先前的研究已经证明了化学肥料和堆肥对不同土壤类型和实验条件下土壤微生物生物量和主要分类群的影响。牛粪堆肥增强了Paracoccus和Rhodospirillum等微生物的丰度，促进了碳的保留并加速了腐殖化过程（Zhou等人，2025年）。食物垃圾堆肥富含易利用的养分，增加了Proteobacteria和Bacteroidetes的数量（Zhao等人，2025a年；Zhang等人，2023年）。鸡粪堆肥引入了与植物相关的益生菌，包括Ornithinicoccus和Actinokineospora，这些益生菌可以在土壤中持续存在并影响本土微生物种群（Zhao等人，2025年）。外源有机碳添加后，土壤微生物群落在组成、组装机制、生活策略和演替模式上发生了明显变化，这些变化强烈影响了土壤生物地球化学循环（Sokol等人，2022年）。尽管有大量证据表明堆肥和化学肥料改变了土壤微生物群落，但一个关键未解决的问题是观察到的微生物反应是暂时的干扰还是持续的功能性重组轨迹。大多数现有研究基于短期或单时间点的观察，限制了对年度时间动态的理解。对于特定的功能性微生物、生物标志物类群以及可能作为生态变化敏感指标的稀有物种也关注不足。

本研究在相同的气候条件、土壤质地和实验设置下建立了一个受控的比较框架，评估了多源有机固体废物堆肥和化学肥料在360天内对土壤微生物群落的影响，涵盖了整个作物周期和季节变化。这一时间长度与中国北方的典型年度种植周期相匹配，在那里集约化管理和高季节性导致了年内显著的微生物波动。全年的时间分辨设计使我们能够区分堆肥/化学肥料的效果与季节性和管理因素的影响，追踪微生物演替和时间适应，并检测到短期或单时间点研究经常忽略的时间依赖性生物标志物以及群落稳定性和相互作用的变化。本研究的目标是：（1）描述添加了多源堆肥和化学肥料的土壤中微生物多样性的动态；（2）识别微生物群落组成对多源堆肥和化学肥料的响应——包括优势属、生物标志物和低丰度类群及其时间动态；（3）阐明多源堆肥和化学肥料对微生物群落稳定性、相互作用机制和时间动态的影响。本研究旨在支持科学施肥策略，并为改进堆肥质量管理提供见解。

部分内容

土壤和堆肥的收集

从中国山东桓台的蔬菜种植地收集了表土（0–10厘米深度）。该地点已连续进行蔬菜种植超过二十年，代表了具有温带季风气候地区的典型农业系统。从同一块田地收集了五个土壤样本（坐标分别为37°03′41.66″N, 117°55′57.93″E；37°03′42.57″N, 117°55′56.73″E；37°03′43.94″N, 117°55′58.13″E；37°03′42.15″N, 117°55′56.02″E；37°03′40.89″N, 117°55′56.65″E）。

土壤理化性质

堆肥或化学肥料的应用对土壤pH值的影响可以忽略不计，但两者都在不同程度上增加了土壤有机质（SOM）含量，其中食物垃圾堆肥的效果最为显著（p<0.05；图1a）。相比之下，堆肥和化学肥料对土壤有机质（DOC）浓度的影响更大。具体来说，鸡粪和食物垃圾堆肥显著增加了DOC（p<0.001），而化学肥料则导致了DOC的显著下降。堆肥应用后活性碳库的扩张与之前的研究结果一致

结论

在360天的培养过程中，多源堆肥和化学肥料驱动了土壤碳氮动态和细菌群落的明显、时间依赖性的变化。不同处理下的土壤pH值变化不大，而堆肥增加了有机质（SOM）并显著扩展了DOC，而化学肥料减少了DOC并直接增加了无机氮的供应。堆肥总体上增强了细菌的α多样性，但反应因堆肥类型而异：食物垃圾堆肥产生了最稳定和持久的增加，牛粪堆肥显示出周期性波动，而鸡粪堆肥则表现出

作者贡献声明

赵新宇：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。陈向宇：正式分析，数据管理。席北斗：撰写 – 审稿与编辑，调查，概念构思。卢云：方法学，数据管理。王燕：撰写 – 初稿，方法学，正式分析，数据管理

未引用参考文献

高等人，2024年；刘等人，2022年；Mercer等人，2025年；孙等人，2023年；王等人，2022年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52270142）的资助。