《Applied Soil Ecology》：Long-term organic amendments accelerate straw decomposition via specialized microbial enrichment in greenhouse vegetable soils
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秸秆分解与有机肥配施对温室蔬菜土壤微生物群落及酶活性的影响研究，发现有机 amendments（特别是秸秆还田）显著加速秸秆分解，提升纤维素、半纤维素和木质素降解率，促进碳氮释放。微生物群落中细菌组成趋于一致，而真菌（如子囊菌门、担子菌门等）呈现分化，酶活性动态变化揭示早期微生物驱动效应。
作者：马龙|黄少文|宋大立|艾超|李若楠|王丽英|何平|周伟
中国北方干旱半干旱耕地高效利用国家重点实验室/中国农业科学院农业资源与区域规划研究所，北京，100081
摘要
作物残渣的分解是陆地生态系统碳（C）平衡的核心，这一过程由土壤细菌和真菌的协同作用驱动，它们能够分解秸秆中的有机成分。然而，在不同施肥制度下的温室蔬菜系统中，调控这一过程的微生物机制仍不甚明了。为了解决这一难题，我们在一个长期田间试验中使用了装有玉米秸秆的垃圾袋，并设置了四种施肥处理：仅施用化学肥料（CF）、50%化学肥料氮+50%有机肥料氮（CM）、50%化学肥料氮+25%有机肥料氮+25%秸秆氮（CMS）以及50%化学肥料氮+50%秸秆氮（CS）。与CF处理相比，添加有机物的处理（尤其是CMS和CS处理）平均使秸秆分解速率提高了6.8±1.9%。这些处理还增加了纤维素（3.9±1.1%）、半纤维素（9.1±1.7%）和木质素的降解速率，并促进了更多的碳（7.3±0.8%）和氮（10.7±2.1%）释放。与碳降解相关的酶活性（如β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶）在添加有机物的土壤中第7天有所增强，但在第30天和第135天相对于CF处理有所下降，这反映了微生物群落的短暂激活效应后发生的演替。定植在秸秆上的主要细菌类群包括放线菌门（Actinobacteria）、γ-变形菌门（Gammaproteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidia）和α-变形菌门（Alphaproteobacteria）；主要真菌类群包括壳针菌纲（Sordariomycetes）、多孢菌纲（Dothideomycetes）、 Tremellomycetes和欧文氏菌纲（Eurotiomycetes）。随着时间的推移，不同处理下的细菌群落组成趋于一致，而真菌群落则出现分化，这表明细菌对秸秆底物的响应更为均匀，而真菌则对长期施肥条件下形成的土壤环境更为敏感。总体而言，这些结果表明，有机改良物（尤其是秸秆）通过丰富功能特化的微生物群体并调节酶活性来加速分解过程。这种微生物结构的重组促进了复杂有机成分的分解和养分的释放，最终支持了集约化温室蔬菜生产系统中的土壤碳封存。
引言
中国是全球最大的作物秸秆生产国，约占全球秸秆资源的五分之一（Cong等人，2021年；Li等人，2022年）。作物秸秆富含矿物质养分和有机物质，将其返回农田有助于维持土壤肥力并保持农业生态系统的生产力（Kamble等人，2014年；Li和Delvaux，2019年）。温室蔬菜田（GVFs）的土壤质量退化是一个突出问题，其主要限制因素是GVFs的碳输入不足以及有机肥料的碳补充效率低下（Huang，2019年）。作物残渣可以调节土壤中的养分与能量（C）平衡，从而提高GVFs的生产效率并实现可持续生产。此外，作物残渣的分解对陆地生态系统的碳平衡至关重要，因为驱动这一过程的微生物种群在调节碳循环中起着核心作用（Kong等人，2020年；Li等人，2015年；Cornwell等人，2008年；Wardle等人，2004年）。
施肥通过改变负责分解的微生物群落组成并调节土壤养分的可用性来影响秸秆的分解速率（Zhen等人，2014年）。碳氮比（C/N）是评估秸秆分解轨迹和氮固定潜力的关键指标。当C/N比低于20时，秸秆中的有机氮会迅速矿化，从而增加土壤中的氮含量。相反，当C/N比超过30时，土壤微生物会加强氮的固定作用，从而减少植物可利用的氮量（Christopher和Lal，2007年）。研究表明，氮肥可以加速玉米和小麦秸秆的分解，其最佳效果分别在C/N比为25和10时出现（Li等人，2023年）。有机肥料或有机材料的施用通过调节C/N比来影响秸秆的分解和养分释放（Kalkhajeh等人，2021年）。这种加速作用可能源于氮的补充，它增强了微生物的代谢活性并促进了秸秆材料的更有效分解。将秸秆返回农田对于增加土壤有机碳储量至关重要。当与有机肥料结合使用时，这种做法可以缓解新鲜秸秆输入通常引发的激活效应，从而增加稳定在土壤中的秸秆来源碳的比例，最终增强长期碳封存（Lin等人，2024年；Wu等人，2024年）。分解中的秸秆中的碳和氮在土壤中表现出紧密相关的周转和分配动态。秸秆来源碳的转化直接影响土壤中氮的矿化或固定情况，而这些氮动态又决定了秸秆中原本所含氮的最终命运（Demoling等人，2007年）。尽管这些联系已经得到充分证实，但不同有机改良物对分解过程中秸秆有机组分与养分释放之间关系的影响仍不明确。
秸秆的分解需要多种由木质纤维素降解微生物产生的酶家族的协同作用，这些酶具有氧化、水解和非水解功能（Madeira Jr.等人，2017年；Payne等人，2015年）。最近的一项元分析显示，在低或持续秸秆返还的情况下，土壤细菌群落的多样性显著增加，同时变形菌门和拟杆菌门的相对丰度上升，而绿弯菌门、厚壁菌门和硝螺菌门的丰度下降（Zhang等人，2024年）。相比之下，另一项研究发现，虽然秸秆返还改变了细菌群落组成，但对真菌群落没有显著影响（Yang等人，2019年）。这些差异可能源于土壤性质、气候变量和秸秆特定特征的复杂相互作用，这些因素共同影响了田间环境中的分解动态（Hobbie，2005年；Cortet等人，2006年；Xu等人，2017年）。土壤的高度异质性为微生物生长提供了多样的环境条件。与露天农业生态系统相比，温室蔬菜田具有高温和高湿度的特点。在长期不同的施肥制度下，温室蔬菜田的土壤形成了独特的微生物群落结构，不同微生物群体在吸收和利用碳底物方面存在明显差异（Wang等人，2016年；Eichorst和Kuske，2012年）。然而，不同施肥制度在这种环境中调节微生物介导的秸秆分解的潜在机制仍不甚明了。
在自然生态系统中，通常使用垃圾袋法来评估植物残渣的分解情况（Xu等人，2017年；Han等人，2020年）。这种方法通过测量将已知量的秸秆放入网袋后随时间变化的残余质量来定量追踪分解动态（Daudu等人，2009年）。在本研究中，我们选择了四种长期接受不同施肥处理的温室蔬菜土壤。利用垃圾袋法，我们研究了这些施肥处理如何影响秸秆的分解，特别是有机成分的分解、养分释放模式以及相关的土壤微生物群落结构变化。我们的目标是阐明温室蔬菜系统中驱动秸秆分解的微生物机制，从而为科学优化的施肥策略的开发提供依据。
实验地点描述和田间垃圾袋实验
本研究在中国河北省大河试验站的温室蔬菜田进行（38°08′N，114°23′E）。该试验站建立于2009年，采用冬春黄瓜（Cucumis sativus L. cv. Bomei No. 11）和秋冬番茄（Solanum lycopersicum Mill. cv. Jinpeng No. 11）的轮作制度。维持了四种长期施肥处理：（i）仅施用化学肥料（CF），（ii）50%化学肥料氮+50%有机肥料氮
秸秆分解动态和有机组分降解
所有施肥处理下的秸秆分解都呈现双相模式，初期分解速率较快，随后逐渐减缓（图1A）。在前7天（快速分解阶段），平均分解速率为0.31±0.02克/天。从第7天到第30天（减速阶段），平均速率降至0.07±0.01克/天。从第30天到第135天（缓慢分解阶段），速率进一步下降
施肥制度对秸秆残渣质量和养分动态的影响
有机改良物可以改善土壤的物理化学性质，并刺激参与碳和氮循环的秸秆降解酶的活性，从而间接促进秸秆分解（Guo等人，2022年；Fang等人，2018年）。先前的研究表明，秸秆分解通常呈现双相模式，初期分解迅速，之后逐渐减缓。氮肥的施用已被证明可以加速这一过程并提高养分释放速率
结论
本研究系统地探讨了长期施肥制度（CF、CM、CS和CMS）对温室蔬菜土壤中玉米秸秆分解动态的影响。通过结合微生物群落分析、酶活性检测和PLS-PM方法的田间垃圾袋实验，我们发现有机改良物（尤其是添加秸秆的处理CS和CMS）显著加速了秸秆质量损失，并增强了碳和氮的释放，尤其是在分解初期
CRediT作者贡献声明
马龙：撰写——原始草稿、方法论、数据分析、概念构建。
黄少文：撰写——审稿与编辑。
宋大立：撰写——审稿与编辑。
艾超：撰写——审稿与编辑、资金获取。
李若楠：撰写——审稿与编辑。
王丽英：撰写——审稿与编辑。
何平：撰写——审稿与编辑。
周伟：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。
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
本研究得到了智能施肥项目（20221805）、国家自然科学基金的重点项目（32230093）以及中国农业研究系统（CARS-23-B04）的资助。
