《Soil and Tillage Research》：Green manuring outperforms cattle manure in soil carbon sequestration by reshaping dissolved organic matter composition and fungal life strategies
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长期施用牛粪和绿肥可显著提升钙质荒漠土壤有机碳（SOC）储量，其中绿肥单位碳输入的SOC增量达64.8%。研究通过FT-ICR MS和高通量测序发现，绿肥促进木质素类 DOM 组分富集，诱导真菌向高效C利用（K型）策略转变，而牛粪则增强单宁及芳香缩合物，驱动真菌向r型策略偏移，这种DOM组分与微生物群落的协同作用解释了绿肥的碳高效性。
作者：石思伟、高松娟、周国鹏、常丹娜、刘睿、梁婷、张久东、车宗贤、曹卫东
中国农业科学院农业资源与区域规划研究所高效利用耕地国家重点实验室，北京 100081
摘要
土壤溶解有机质（DOM）是微生物重要的碳（C）来源，其含量受到绿肥和牛粪的显著影响。然而，这两种有机肥料对土壤碳积累的分子机制尚不清楚。在本研究中，我们利用傅里叶变换离子回旋共振质谱和高通量测序技术，分析了33年田间施肥实验中不同深度（0–20、20–40和40–60厘米）土壤的DOM组成和微生物多样性。该实验每年分别施用化学肥料（CF）、牛粪（CM）和绿肥（GM）。与CF相比，CM和GM均促进了土壤碳的固定，在0–20厘米深度使总有机碳（SOC）增加了53.0–64.8%，溶解有机碳增加了61.0–159.4%，重质有机碳增加了47.4–64.7%。尽管CM的总碳输入量仅为GM的三分之一（102.3 Mg C ha?1 vs 320.1 Mg C ha?1），但其增强SOC的效果更明显。虽然CM和GM均显著改变了真菌群落结构，但CM使群落趋向于r-策略型微生物，而GM则有利于C-高效型K-策略型微生物，这种差异主要与外源底物质量有关。土壤DOM的分子组成分析显示，GM增加了植物来源的木质素类化合物的相对丰度，而CM则增强了单宁和缩合芳香化合物的含量。我们的研究结果强调了CM和GM对石灰质沙漠土壤中碳固定的长期影响，表明GM是一种更高效的施肥方式，有利于可持续农业发展。
引言
土壤有机碳（SOC）是土壤肥力、生态系统功能以及农业系统可持续性的基础（Amelung等人，2020年；Tang等人，2025年）。增加农田中的SOC储量有望抵消每年0.79–1.54 Gt C的二氧化碳排放，从而有助于缓解气候变化（Fuss等人，2018年）。然而，数十年的集约化耕作导致土壤SOC普遍减少，尤其是在退化和生态脆弱的土壤中（Amelung等人，2020年）。因此，迫切需要采取科学合理的措施来增加农田中的SOC储存，同时不损害粮食安全。
尽管过去几十年认为牛粪（CM）和绿肥（GM）是恢复SOC的有效方法（Zhou等人，2023年；Park和Lee，2025年），但不同有机投入对SOC稳定性的长期影响仍不充分了解。CM主要通过增加外源碳输入和改变土壤生物过程来提高SOC（Chen等人，2023年；Ma等人，2024年；Zhou等人，2024年）。长期施用肥料已被证明可以促进SOC积累，并通过增强SOC的化学稳定性和微生物群落复杂性来减轻温度升高引起的SOC损失（Wang等人，2024年）。CM和GM在生化组成、养分比例和分解性方面存在显著差异，这可能导致SOC形成的不同途径（Zhang等人，2025年）。与CM相比，GM通常被认为能促进微生物合成代谢并增加微生物死质，这是持续SOC池的关键贡献者（Zhang等人，2022年）。同时，GM也可能通过正向启动效应刺激本土SOC的分解，从而可能抵消SOC储量的增加（Elias等人，2024年）。因此，长期施用GM对SOC稳定化和净SOC积累的影响仍不清楚。此外，大多数研究未能直接比较CM和GM在SOC固定方面的效果（Zhou等人，2023年）。为了更好地评估CM和GM对土壤碳固定的长期影响，需要基于长期田间实验揭示这两种碳管理策略的差异机制。
溶解有机质（DOM）是连接有机投入和土壤碳稳定化的关键但研究不足的中介（Iroshaka Gregory Marcelus Cooray等人，2025年）。土壤DOM包含化学多样性丰富的化合物，这些化合物在生物利用度和反应性上差异很大，从而影响土壤中碳的持久性（Wu等人，2021年；Li等人，2023年）。施肥措施可以显著改变DOM的浓度、分子组成和生物降解性（Feng等人，2025年）。据报道，有机肥料会增加化学稳定的DOM化合物的丰度，同时减少易分解的部分，从而可能降低土壤的整体碳生物降解性（Shi等人，2025年；Xia等人，2025年）。重要的是，DOM是土壤微生物的主要碳来源，两者之间存在复杂的相互作用（Iroshaka Gregory Marcelus Cooray等人，2025年）。施肥引起的DOM分子组成变化可以选择性地促进具有不同生活史策略的微生物类群，从而影响碳的转化效率和稳定潜力（Chen等人，2023年）。目前，CM和GM长期施用对DOM分子特性的影响机制，以及这些变化如何反馈到微生物群落结构和功能上，仍不甚清楚。此外，DOM的高化学多样性限制了我们将DOM分子转化与微生物动态和长期SOC固定联系起来的能力。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）与高通量测序的最新进展为解析DOM分子组成及其与微生物群落的关联提供了前所未有的机会，有助于更深入地理解SOC形成途径（Li等人，2023年）。
在本研究中，我们旨在：（1）评估长期不同施肥方式对土壤DOM分子组成、微生物群落以及不同深度土壤SOC储量的影响；（2）阐明DOM和微生物群落如何协同影响土壤碳固定。我们假设外源有机投入会改变土壤DOM的分子组成，进而影响微生物群落结构和生活史策略，从而影响SOC固定。为了验证这一假设，我们在33年的田间实验中测量了0–60厘米深度的总SOC及其组分、DOM分子组成和微生物群落结构。这些发现有助于开发更高效的施肥方法，尤其是在低肥力土壤中。
实验设计和土壤采样
这项长期田间施肥实验始于1988年，位于中国甘肃省武威市（北纬38°37'，东经102°40'；海拔1504米）。研究区域属于温带大陆性干旱气候区，年均降水量约为150毫米，年均蒸发量约为2020毫米，年均气温为7.7摄氏度。该实验的种植系统为长期小麦（Triticum aestivum L.）和玉米（Zea mays L.）间作。
SOC含量及其组分的变化
与对照处理（CK）相比，化学肥料（CF）、牛粪（CM）和绿肥（GM）分别使小麦产量增加了210.5%、97.1%和112.2%，玉米产量增加了221.5%、70.9%和119.5%（p < 0.05；图S1a）。CF处理下的玉米产量显著高于CM和GM处理（p < 0.05；图S1b）。CM施用显著（p < 0.05）提高了0–40厘米深度的总SOC 24.5–64.8%，以及0–60厘米深度的溶解有机碳（DOC） 34.0–159.4%（图1a，b）。GM使SOC增加了53.0%，DOC增加了61.0%。
绿肥在SOC固定方面比牛粪更有效
我们的长期田间实验表明，CM和GM都是提高石灰质沙漠土壤表层（0–20厘米）SOC储存的有效管理方法，这与先前的研究结果一致，即有机改良剂通过补充外源稳定碳来增强土壤碳固定（Chen等人，2023年）。普遍认为，农田中的SOC固定受外源碳输入与微生物降解平衡的调控（Yu等人，2023年）。
结论
本研究表明，长期施用牛粪和绿肥对石灰质沙漠土壤中的DOM组成、微生物群落和SOC固定具有长期影响，其中绿肥在单位碳输入下的SOC固定效率更高。绿肥和牛粪导致土壤DOM组成不同，并使真菌生活史策略朝相反方向发展，最终导致土壤碳固定的差异。
作者贡献声明
刘睿：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，调查。
常丹娜：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，调查。
周国鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，调查。
高松娟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，调查。
石思伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，软件应用，方法学研究，数据整理，概念构建。
曹卫东：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2021YFD1700200）、CARS-绿肥专项基金（项目编号：CARS-22）、中国农业科学院农业科技创新计划（项目编号：ASTIP）以及中国博士后科学基金会（项目编号：2025M782513）的支持。
