覆盖作物和粪肥堆肥能够改变东南部沙质土壤中的微生物功能及多样性

《Soil Science Society of America Journal》：Cover crops and manure compost shift microbial functions and diversity in Southeastern sandy soils

有机农业中覆盖作物（大麦草、小豆角）与有机堆肥对砂质土壤微生物群落及功能的影响。研究发现，两种有机输入均改变了微生物群落结构（细菌和真菌），但未显著影响α多样性。小豆角处理提高了土壤无机氮含量，大麦草及其混合覆盖显著降低了真菌中Ascomycota比例，并改变了细菌群落组成（如Proteobacteria和Bacteroidetes）。碳氮循环酶活性（β-葡萄糖苷酶、纤维素酶、氨基酸肽酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖胺酶）与土壤理化性质（EC、pH、M3-P）及微生物多样性相关，SEM显示土壤EC和有机氮输入是酶活性的主要驱动因素。持续有机输入对土壤肥力及微生物功能有显著调控作用。

　　有机输入在可持续农业中扮演着至关重要的角色，因为它们能够改善土壤的养分状况并促进土壤微生物群落的健康发展。然而，尽管有机输入对土壤微生物群落的组成和功能有重要影响，但其具体机制仍然存在诸多未知。为了更深入地理解这些输入如何影响土壤微生物的功能，我们开展了一项研究，重点探讨了在有机蔬菜种植系统中，覆盖作物的引入以及堆肥的施用对沙质土壤中微生物群落结构和功能的影响。研究覆盖了两种堆肥类型（有无堆肥）和四种覆盖作物处理（小麦草、毛豆、两者的混合以及无覆盖作物对照），并在田间进行了交叉试验，从2020年开始，经过两年的重复处理后，于2022年采集了土壤样本进行生物地球化学和微生物分析。

研究结果表明，尽管有机输入对微生物α多样性影响有限，但它们显著改变了微生物群落的结构，其中小麦草和毛豆的效应呈现出明显的差异。此外，毛豆的引入提高了主要土壤细菌和真菌类群的丰度，而小麦草则对某些真菌类群的增加起到了关键作用。这些变化进一步影响了碳和氮循环的胞外酶活性，这些酶活性与土壤的生物地球化学特性以及微生物多样性密切相关。研究还发现，预测的微生物功能变化可能对长期土壤肥力产生显著影响。

通过实验设计，我们发现覆盖作物和堆肥的共同作用可以显著提高土壤的氮素可用性。例如，毛豆和其与小麦草的混合处理显著增加了土壤中氮素的含量，而小麦草的引入则对氮素含量的影响较小。这表明，不同的有机输入可能对土壤的氮素循环产生不同的影响。与此同时，土壤的电导率（EC）和有机碳的累积也受到了覆盖作物和堆肥的显著影响。EC的增加可能与土壤中盐分的积累有关，而有机碳的增加则反映了土壤中碳素的输入和转化过程。

土壤微生物群落的组成和结构对土壤的生物地球化学特性具有显著影响。在本研究中，我们发现，覆盖作物的引入显著改变了土壤微生物群落的结构，而堆肥的施用则对这些结构产生了额外的调节作用。特别是，毛豆和堆肥的组合显著增加了某些关键微生物类群的丰度，这可能与其促进氮素循环的能力有关。相比之下，小麦草的引入虽然对微生物群落结构产生了影响，但其对某些类群的增加不如毛豆明显。这种差异可能与覆盖作物的生理特性和其对土壤微生物群落的影响机制有关。

研究还发现，微生物群落的多样性与土壤生物地球化学特性之间存在复杂的相互作用。例如，土壤的电导率和氮素浓度与微生物的α多样性存在一定的关联。然而，这种关联并不是线性的，且不同类群之间的关系可能因环境条件的不同而有所变化。此外，微生物的群落结构与土壤的EC、氮素浓度和有机碳输入之间存在显著的正相关，这表明这些土壤特性在调控微生物群落结构方面起到了重要作用。

通过结构方程模型（SEM）的分析，我们进一步揭示了有机输入如何通过影响土壤的生物地球化学特性来调节微生物的功能。SEM的结果显示，pH和EC对某些酶活性（如LAP）具有显著的正向影响，而有机碳的含量则对其他酶活性（如CBH和NAG）产生了类似的促进作用。这些发现表明，土壤的生物地球化学特性在调控微生物功能方面起到了关键作用，而微生物的多样性可能在一定程度上被这些特性所限制。

值得注意的是，尽管有机输入对微生物的α多样性影响有限，但它们对微生物的β多样性（即群落结构）产生了显著影响。这表明，有机输入虽然可能不会直接增加微生物的种类数量，但能够改变微生物的组成和分布，从而影响土壤的生态功能。此外，研究还发现，土壤的EC和氮素浓度与微生物的群落结构之间存在显著的正相关，这可能意味着这些土壤特性在微生物群落的形成和维持中起到了重要作用。

研究结果进一步表明，覆盖作物和堆肥对土壤微生物群落的影响是高度依赖于它们的输入方式和土壤环境的。例如，毛豆和堆肥的组合能够显著提高土壤中某些酶的活性，这可能与其促进氮素循环的能力有关。而小麦草的引入虽然对某些酶的活性也有一定的促进作用，但其影响程度相对较低。这可能是因为小麦草的碳氮比较高，从而导致其对氮素的固定和转化过程相对缓慢。

此外，研究还发现，覆盖作物和堆肥的施用对土壤微生物的组成和结构产生了显著的影响。例如，毛豆的引入显著增加了某些细菌和真菌类群的丰度，而小麦草的引入则对某些真菌类群的增加起到了促进作用。这些差异可能与覆盖作物的生理特性和其对土壤微生物群落的调控机制有关。毛豆作为一种豆科植物，能够通过其根系与固氮微生物共生，从而提高土壤中的氮素含量，进而促进相关微生物的生长和活动。

在本研究中，我们还发现，土壤的生物地球化学特性对微生物的功能具有重要的调控作用。例如，土壤的EC和氮素浓度与微生物的酶活性之间存在显著的正相关，这表明这些土壤特性可能在一定程度上影响了微生物的分解和转化能力。此外，土壤的有机碳含量与微生物的酶活性之间也存在一定的关系，这可能意味着有机碳在维持微生物活性方面起到了重要作用。

研究还揭示了土壤微生物群落的组成和结构对土壤肥力和生态功能的影响。例如，微生物的多样性可能对土壤的肥力具有一定的缓冲作用，但其对土壤功能的调控作用可能更为复杂。研究发现，微生物的组成和结构可能对土壤的碳和氮循环产生不同的影响，这可能与微生物的种类特性和其对土壤养分的利用方式有关。

综上所述，本研究发现，有机输入虽然对土壤微生物的α多样性影响有限，但能够显著改变微生物群落的结构和功能。这些变化主要与土壤中氮素的可用性和生物地球化学特性有关。此外，研究还发现，土壤的EC和氮素浓度对微生物的功能具有重要的调控作用，而微生物的多样性可能在一定程度上被这些特性所限制。这些发现对于理解有机输入对土壤生态功能的影响具有重要意义，并为未来在可持续农业系统中如何优化有机输入提供了理论依据和实践指导。