《Applied Soil Ecology》：Exacerbation of microbial phosphorus limitation in cadmium-contaminated soil under maize-rape rotation
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玉米-油菜轮作在轻度镉污染土壤中通过调节土壤C/P比（升高12.7倍）和微生物C/N/P含量（C/N提升57.3%，P/N下降34.6%）影响养分限制特征。酶活性数据显示C/N/P获取酶在玉米季提升47.98%-163.34%，而油菜季增幅仅为12.46%-103.90%。宏基因组测序揭示轮作系统导致细菌多样性提升（Shannon指数+0.38）和真菌优势菌群（Olpidium占比65.17%）形成，Cd耐受菌（Bacillus）丰度增加显著。研究证实轮作系统缓解C限制但加剧P限制，需针对性磷管理优化策略。
陈嘉欣|于杰毅|李婷轩|黄华刚|王克基|张璐|叶代华|张喜洲|王永东|刘涛|于海英
四川农业大学资源学院，中国四川省成都市惠民路211号，611130
摘要
种植在可食用部分中镉（Cd）积累量低且具有高镉耐受性的作物，是安全利用轻度镉污染农田的一种可行策略。尽管玉米-油菜轮作显示出相当大的潜力，但其对镉污染土壤中养分限制和微生物群落响应的影响仍不充分了解。本研究在轻度镉污染的土壤中采用玉米-油菜轮作，结合土壤-微生物-胞外酶化学计量模型和高通量测序技术，评估了化学计量特征和微生物群落结构。结果表明，玉米-油菜轮作增加了溶解有机碳（DOC）的含量，同时减少了总磷（TP）和有效磷（AP）的含量，从而提高了碳磷比（C/P）。两个季节的微生物生物量中的碳（C）和氮（N）含量也有所增加。种植显著增强了碳、氮和磷吸收相关酶的活性，在玉米生长季节这些酶的活性提高了47.98%–163.34%，而在油菜生长季节仅提高了12.46%–103.90%。这些变化缓解了玉米生长季节的微生物碳限制，但在两个季节都加剧了微生物磷限制。显著的微生物群落变化包括玉米生长季节细菌多样性的增加，以及油菜生长季节由Olpidium主导的真菌优势（65.17%）。耐镉微生物（如Bacillus）的富集增强了养分循环。轮作可以通过调节土壤性质、微生物多样性和代谢直接或间接缓解碳限制，同时加剧磷限制。这些发现强调了在轮作系统中进行针对性磷管理的必要性，以平衡养分限制。本研究为优化镉污染土壤中的作物轮作策略提供了基础，从而促进长期可持续性和生态韧性。
引言
镉（Cd）在农业土壤中的污染对粮食安全和人类健康构成严重威胁，因为镉具有高迁移性和通过食物链生物累积的潜力（Salam等人，2020年）。在中国，约7.0%的耕地土壤镉含量超过了安全阈值，其中轻度污染最为常见（中国环境保护部，2014年）。因此，确保在轻度镉污染的农田上安全生产受到了广泛关注（Cao等人，2023年）。传统的植物修复策略虽然有效，但由于修复速度慢和经济效益低，在可扩展性和经济可行性方面存在局限性（Khan等人，2023年）。相比之下，种植低可食用镉积累量的耐镉作物（如玉米-油菜轮作）为安全利用镉污染土壤提供了一种经济且可持续的策略（Wang等人，2021b；Deng等人，2026年）。田间研究表明，油菜/玉米轮作是一种有利可图且可行的方法，可以安全利用镉和铅污染的农田，生产的作物中重金属含量低于食品安全阈值，并且比连续种植或单独使用植物提取方法具有更高的经济效益（Rizwan等人，2017年；Guo等人，2022年）。尽管玉米-油菜轮作在安全生产和部分修复方面显示出潜力（Tang等人，2020年；Qin等人，2022年），但对该系统如何影响镉胁迫下的土壤养分循环和微生物群落响应仍了解有限。理解这些机制对于优化轮作策略至关重要，以在减轻镉污染生态风险的同时保持农业生产力。
土壤微生物通过分泌胞外酶来获取必需养分，这些酶能够分解复杂的有机化合物（Long等人，2025年）。参与碳、氮和磷循环的关键水解酶（如β-葡萄糖苷酶、尿素酶和磷酸酶）被广泛用作微生物代谢潜力的指标（Song等人，2022年）。由于胞外分解通常是微生物代谢的限速步骤，酶的分泌在很大程度上控制了有机物的分解效率。因此，胞外酶活性提供了微生物养分需求与养分循环动态之间的功能联系（Solangi等人，2024年）。这些指标常用于量化微生物资源分配策略和诊断生态系统层面的养分限制。虽然重金属可以直接抑制胞外酶，但它们在土壤中的影响主要是间接的，通过抑制微生物生物量和代谢活性来实现。这种压力会导致资源从酶合成转向解毒，改变微生物的养分获取策略，并加剧元素化学计量不平衡（Kuzyakov和Mason-Jones，2018年；Duan等人，2022年）。在镉污染的土壤中，微生物群落通常会经历碳、氮和磷的加剧限制。例如，镉毒性会抑制碳降解酶（如β-葡萄糖苷酶）和磷转移酶（如酸性磷酸酶）的合成，迫使微生物将资源用于抗逆而不是养分循环（Xu等人，2021年）。这些养分利用效率的变化可能会恶化土壤贫瘠并降低作物产量。最新证据还表明，在酸性土壤中，镉污染会通过优先吸附在铁氧化物上并降低磷的生物有效性，使微生物代谢从氮限制转向更大的磷限制（Li等人，2024年）。理解这些养分限制模式对于设计针对性的农艺干预措施以缓解微生物压力和提高镉污染轮作系统的土壤肥力至关重要。
土壤微生物通过酶活性和代谢过程驱动生物地球化学循环，但这些功能容易受到重金属毒性的影响（Das等人，2022年）。镉污染会通过抑制参与纤维素降解（如cbhI）和硝化（如amoA）的基因来损害微生物的碳和氮循环，从而减少有机物分解和养分有效性（Xi等人，2021年）。作物轮作系统可以通过富集具有综合养分循环和金属解毒能力的耐逆微生物来缓解这些影响（Navarro-Torre等人，2016年）。例如，真菌在镉污染的土壤中通常占主导地位，它们利用胞外沉淀和细胞内封存来固定镉，并分泌磷酸酶来增强磷的溶解性（Dey等人，2024年）。同样，轮作诱导的根际微生物（如Devosia、Paraphoma）可以通过降解作物残余物并通过胞外多糖分泌生物吸附镉来结合残余物降解和镉固定（Qin等人，2022年）。进一步研究重金属胁迫下的土壤微生物群落有助于识别特定的微生物种类，并揭示具有镉抗性的有益细菌和真菌，以及它们与作物的相互作用，这对于安全利用重金属污染的农田至关重要。
玉米-油菜轮作系统的可持续性取决于土壤微生物群落对镉胁迫的适应能力及其在养分循环中的作用。大多数研究集中在作物的镉吸收和经济效益上（Tang等人，2020年）。然而，仍有两个关键问题：（1）在作物种植期间，土壤微生物如何通过代谢策略和酶活性优化养分利用效率？（2）作物种植如何重构微生物群落以缓解碳、氮和磷的限制？本研究旨在调查玉米-油菜轮作下的微生物生物量碳-氮-磷化学计量、酶活性和群落结构，以了解镉污染土壤中的微生物养分限制和群落动态，为生态恢复和安全利用镉污染农田提供理论基础。
研究地点和处理措施
本研究在中国四川省成都市四川农业大学的都江堰校区进行（31°01′N，103°36′E），属于亚热带季风气候，年平均温度为15.2°C，无霜期280天，年降水量1243.8毫米，年日照时间为1016.9小时。在六个地块上建立了研究，这些地块种植在灰色壤土上（总镉含量为0.49–0.74 mg kg?1），这些地块已六年未耕种。土壤中的镉含量处于中国的轻度污染阈值范围内
土壤碳、氮和磷的含量及化学计量
与未种植处理相比，玉米生长季节和油菜生长季节的土壤DOC含量显著增加，而TP和AP含量显著减少，导致土壤C/P比显著提高（表1）。在油菜生长季节，土壤SOC和AN含量也显著增加，C/N比升高至13.85。比较两个生长季节时，油菜生长季节的土壤SOC和TN含量更高，而玉米生长季节的土壤DOC、AN和AP含量更高
玉米-油菜轮作条件下的养分限制特征
本研究发现，在玉米-油菜轮作下，两个生长季节的土壤DOC含量均显著增加，主要是由于根际来源的活性碳输入增加（Li等人，2025年）。相反，土壤TP和AP含量显著减少，导致C/P比升高。高C/P比会抑制微生物对有机物的矿化作用，加剧磷限制，并减少植物对磷的吸收，最终限制植物生长（Chen等人，2025年）。土壤微生物生物量是关键
结论
本研究表明，在镉污染的土壤中，玉米-油菜轮作增加了DOC含量，但减少了TP和AP含量，从而提高了土壤的C/P比。轮作还增加了土壤MBC和MBN的含量，并提高了两个生长季节的碳、氮和磷吸收相关酶的活性，表明土壤微生物根据作物种植情况调整了代谢策略和酶功能。这种调整在玉米生长季节缓解了微生物的碳限制，但
作者贡献声明
陈嘉欣：撰写——初稿、方法学、数据分析。于杰毅：撰写——初稿、数据分析。李婷轩：撰写——审稿与编辑、资金争取。黄华刚：调查、数据分析。王克基：软件应用、数据分析。张璐：监督。叶代华：数据分析。张喜洲：监督。王永东：监督。刘涛：撰写——审稿与编辑、监督。于海英：撰写——审稿与编辑、验证，
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了四川省重点研发计划（2023YFN0023）、国家重点研发计划（2024YFD1700202）和中国农业研究系统专项基金（CARS-01-31）的财政支持。
