长期土壤管理驱动秸秆降解相关的功能性微生物组转变：62年施肥与施石灰实验揭示的微生物代谢可塑性

《Microbiology Research》：Shifts in Straw-Associated Functional Microbiomes Under Long-Term Soil Management Alexandra Gheorghi??, Anca Ple?a, Bianca Pop, Vlad Stoian and Roxana Vidican

这篇研究综述聚焦于长达62年的田间定位施肥与施石灰试验，深入剖析了管理措施如何重塑与秸秆降解相关的土壤功能性微生物群落。通过采用改进的埋袋法和Biolog EcoPlateTM方法，文章揭示了石灰施用与化肥的交互作用（而非单一因素）是驱动功能群落分异的关键驱动力。研究证实，长期管理促使微生物从广谱的通用型群落向特异化的功能群落转变，其中碳水化合物（CH）功能行会成为优势类群和群落性能的关键指示者。中等石灰用量（L1, 2.5 t ha-1CaCO3）可刺激代谢活性并维持较高功能多样性，而高强度石灰（L2, 5 t ha-1）则限制多数功能群活性，但利于胺（AM）和羧酸（CX）行会。本研究为理解土壤健康、养分循环及农业可持续性管理提供了重要的微生物功能视角。

　　

长期施肥与施石灰对秸秆降解相关功能性微生物组的影响

摘要

土壤长期肥力受微生物群落代谢可塑性的调控，尤其在作物残体分解过程中。本研究旨在探究连续62年（1961-2023年）施用矿物肥料和石灰如何改变与小麦秸秆分解相关的功能性微生物群落。研究在罗马尼亚Satu Mare县的Livada农业研究与发展站（ARDS Livada）的长期定位试验田进行。采用改进的埋袋法结合Biolog EcoPlate^TM技术，我们评估了不同处理下功能行会（Guild）和功能组（Group）的代谢活性模式变化。

材料与方法

2.1. 实验设计

试验采用双因素设计，共设置11个处理，每个处理4次重复。第一因子为石灰用量（L），设两个梯度：L1（2.5 t ha^-1CaCO₃，中等施用量）和L2（5 t ha^-1CaCO₃，高强度施用）。第二因子为矿物施肥，在施用石灰的基础上设五个梯度：不施肥、仅施氮（N₁₀₀）、仅施磷（P₇₀）、氮磷配施（N₁₀₀P₇₀）以及氮磷钾复合肥（N₁₀₀P₇₀K₆₀）。同时设置一个自试验开始以来未施用任何肥料和石灰的本地土壤（V1）作为对照。

将切碎干燥的小麦秸秆茎秆置于大小为5×7厘米的聚丙烯埋袋中，在土壤中埋藏30天。随后收集腐解秸秆样品，用于后续功能微生物分析。

2.2. 与秸秆分解相关的土壤功能性微生物组分析

本研究对经典的Biolog方法进行了改进，使用从田间回收的已分解植物材料（小麦秸秆）悬浮液，而非土壤悬浮液，接种到Biolog EcoPlate上进行培养。该平板包含31种碳源，分为六大化学类别，每类被视为一个功能行会，每个具体碳源视为一个功能组：碳水化合物（CH, 10种）、聚合物（Px, 4种）、羧酸（CX, 9种）、氨基酸（AA, 6种）、胺/酰胺（AM, 2种）以及一个水对照。通过连续测量590 nm处的光密度（OD）来评估微生物群落的代谢活性。

结果

3.1. 施用处理塑造的功能行会及整个微生物群落的一般趋势

未处理的本地土壤（V1）表现出中等的基础代谢活性，在大多数功能行会中活性值最低。总活性为37.50单位，平均每孔颜色变化（AWCD）为1.02。其中，碳水化合物（CH）和羧酸（CX）行会是主导类群。

长期处理保持了碳水化合物（CH）行会强大的代谢特征，其活性值在10至13单位之间。对于胺（AM）行会，L2剂量与NP肥（V10）的联合施用显著刺激了该行会，其活性达到峰值2.82。相比之下，仅施氮（V3, V8）倾向于降低其活性。对于聚合物（Px）行会，仅施氮的处理（V3）活性最低（4.40单位），而配方中含有磷肥的处理（V4, V6, V11）则提升了其活性。

在10个碳水化合物（CH）功能组中，活性模式存在差异，活性最低值出现在对照（V1，CH10，0.25单位），最高值出现在中等石灰+复合肥（V6，CH8，2.25单位）。

在聚合物（Px）行会中，P4是活性最高的组。中等石灰（L1）处理的变体中发现了组特异性的活性峰值，例如P1和P2的最高活性均出现在仅施用石灰的V2处理中。

在羧酸（CX）行会中，CX3和CX4对处理表现出不同的响应。CX3在L2+NP（V10）处理下达到峰值活性（2.08），而CX4则在仅施石灰（V2）时被刺激（0.30）。CX6活性在L1+NP（V5）处理下显著降低（1.29），而高强度石灰（L2）似乎在CX6和CX7组中起到了缓冲矿物肥料影响的作用。

在氨基酸（AA）行会中，AA1在L2+NP（V10）处理下活性最高（2.37）。在胺（AM）行会中，AM1的活性在L2（V7）和L2+NP（V10）处理下超过对照，AM2的峰值活性则出现在L1（V2）和L2+NP（V10）处理下。

3.2. 功能群落对长期处理的总体反应趋势

NMDS排序分析显示，整个数据库的功能微生物组整体组成和活性差异较小。基于行会和活性（总和与AWCD）以及向量定位，可以观察到三个主要方向。第一个方向与碳水化合物（CH）以及总和/AWCD向量相关，指向Axis 1的正方向，表明代谢活性持续增加。第二个与特化相关的方向，则由羧酸（CX）、胺（AM）和氨基酸（AA）向量主导，与NP、NPK和无施肥处理相关联。所有类型的石灰处理都位于这三个向量附近。

PERMANOVA和ENVFIT分析均证实，石灰和肥料对每个微生物组代谢模式的变化具有协同作用；石灰创造了微生物代谢转变的大背景，而所施用肥料的类型则放大并引导了这种转变。在群落内部，处理的影响体现在CH2和CH5的活性值上，这两个组可作为处理反应的指示者。

聚类分析表明，群落间的相似性高达80%，表明存在具有弹性的微生物组，在长期处理后已趋于稳定，处理诱导的是微妙变化而非剧烈改变。

3.3. 功能性微生物组中特定双重相似性案例

NMDS排序揭示了三个功能重叠的特定案例，代表了过渡生态位。第一个是本地土壤（V1），其群落主要由碳水化合物（CH）和羧酸（CX）行会定义。第二个过渡点是高强度石灰但无矿物肥料（V7），其总活性为36.42，AWCD为0.88。第三个是代表功能平衡的特例，即高强度石灰与NPK施肥的组合（V11），其AWCD为1.00，总活性为34.47单位。

讨论

4.1. 微生物对底物的资源获取与生态位特化

长达62年的试验表明，持续施用石灰和肥料重塑了功能性微生物组，创造了不同的代谢生态位，使未处理土壤中的广谱微生物组转向特化的功能组合。磷肥具有代谢助推器的作用，而石灰则起到了生理缓冲作用，中和了肥料的酸化潜力。未处理土壤似乎比受干扰或高强度施肥的土壤具有更稳定的微生物多样性，矿物施肥影响了微生物群落的代谢特化和效率。

4.2. 功能生态位特化与代谢潜力

对五个微生物行会的研究揭示了土壤微生物组在62年管理驱动下清晰地划分为功能生态位。缺乏处理（V1）维持了一种广谱代谢特征。长期处理则诱导了向专家优势的转变。中等石灰用量（L1）似乎是维持农业生态系统功能性微生物平衡最有益的管理策略。

4.3. 输入诱导的功能微生物组模式

NMDS投影揭示了长期管理策略驱动的微生物组组成的多重明显转变，排序图区域间有明显的分离。石灰的施用，无论是中等还是高强度水平，与本地土壤相比，都显示出代谢活性和多样性的显著增加。中等石灰（L1）剂量与更广谱的微生物组相关，而高强度石灰（L2）则诱导微生物组进入专家状态。

聚类分析和多重比较检验确定了长期处理塑造的群落内部存在不同的代谢模式。石灰是奠定肥料代谢基础的处理，而生态位特化在基于胺（AM2）活性的L2 NPK处理中可见。

结论

长期农业管理改变了负责小麦秸秆分解的土壤微生物组的功能多样性，偏向于特化的代谢活性，而非本地土壤中存在的广谱弹性。

石灰水平对微生物功能多样性和群落组成有强烈影响。中等石灰可促进总体代谢活性，而高强度石灰则作为生理饱和点，降低了大多数行会和组的活性，但胺（AM）行会的活性有所增加。

在长期处理的动态变化中，可以观察到特定功能群落组从广谱状态向特化状态的转变。这些变化反映了微生物群落对其环境和可用资源因农业干预而发生变化的适应和响应。