覆盖作物和粪肥堆肥改变了东南部沙质土壤中的微生物功能与多样性

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

有机输入对沙壤土微生物群落及功能的影响研究。通过两年定位试验，发现有机覆盖作物（大麦草、小豆花）和堆肥应用显著改变土壤理化性质及微生物群落结构，但未显著影响α多样性。小豆花处理提升氮有效性，促进胞外酶活性（β-葡萄糖苷酶、胞壁水解酶等），大麦草则增强真菌多样性。结构方程模型表明，土壤电导率、可活性碳及无机氮浓度与酶活性呈显著正相关，微生物多样性对功能的影响较弱。研究揭示了有机输入通过调控土壤环境间接影响微生物功能的关键路径。

　　有机农业是实现可持续农业的重要方式之一，其核心在于通过有机物质的输入来改善土壤质量和促进作物的健康生长。土壤微生物群落对于土壤肥力和生态功能的维持具有至关重要的作用，它们不仅能够分解有机质，还能影响土壤中的养分循环和碳氮循环等关键过程。然而，尽管有机输入在提升土壤肥力方面被广泛认可，其对土壤微生物功能的具体影响机制仍不完全清楚。因此，理解有机输入如何改变土壤微生物群落的结构和功能，对于优化有机农业实践、提升土壤健康和作物产量具有重要意义。

本研究探讨了在有机蔬菜种植系统中，覆盖作物的引入和堆肥施用对沙质土壤中微生物群落结构和功能的影响。研究选取了两种堆肥类型（含和不含堆肥）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），在2020年进行了田间试验，并在2022年对土壤进行了生物地球化学和微生物分析。结果显示，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，其中小麦草和毛豆对微生物群落的影响具有显著差异。此外，毛豆和小麦草分别提高了土壤中主要细菌和真菌类群的丰度。有机输入还改变了碳氮循环相关的胞外酶活性（EA），这些变化与土壤的生物地球化学特性及微生物多样性密切相关。这种对微生物功能的改变可能对长期土壤肥力产生深远影响。

### 有机输入对土壤生物地球化学特性的影响

土壤生物地球化学特性是土壤健康和功能的重要指标，包括土壤pH、电导率（EC）、可溶性氮（inorganic N）和磷（M3-P）的含量，以及活性碳（POXC）等。研究发现，覆盖作物的引入和堆肥的施用对土壤的某些生物地球化学特性产生了显著影响。例如，毛豆和其与小麦草的混合处理显著提高了土壤的无机氮浓度，而堆肥的施用则增加了土壤的电导率和某些酶的活性。这些变化可能源于有机输入对土壤养分的供给和微生物群落的调节作用。

土壤pH和EC的变化反映了土壤的化学环境，这对微生物的活动和群落结构具有重要影响。pH的变化可能影响微生物对营养元素的吸收和代谢过程，而EC的增加通常与土壤盐分和有机质含量有关。在本研究中，覆盖作物的引入和堆肥的施用均对土壤的EC产生了积极影响，这可能与有机物质的输入增加了土壤的离子浓度有关。同时，无机氮的增加可能源于覆盖作物根系的固氮作用，以及堆肥中氮素的释放。值得注意的是，尽管土壤的活性碳浓度没有显著变化，但其对微生物功能的影响依然存在，这表明活性碳在土壤微生物代谢过程中扮演了重要角色。

### 微生物多样性与功能的关联

微生物多样性是维持土壤功能的关键因素之一，尤其是在有机农业系统中。高微生物多样性通常意味着较高的功能冗余，即微生物群落能够通过不同的代谢途径实现相似的生态功能。然而，本研究发现，尽管有机输入对土壤生物地球化学特性产生了显著影响，但其对微生物α多样性的影响较为有限。这可能与土壤类型、气候条件以及有机输入的持续时间有关。沙质土壤由于其低粘性，可能难以有效保留有机质，导致微生物多样性变化不明显。

相比之下，微生物群落的结构变化更为显著。研究发现，不同覆盖作物和堆肥处理对微生物群落结构产生了不同的影响。例如，毛豆的引入增加了某些真菌类群的丰度，而小麦草则提高了某些细菌类群的丰度。这种变化可能与不同覆盖作物提供的有机质类型和养分来源不同有关。毛豆作为一种豆科植物，其根系能够与固氮菌共生，从而提高土壤中的氮素供应，促进氮素相关微生物的生长。而小麦草则通过其较高的生物量为土壤提供了丰富的碳源，从而支持了碳分解相关微生物的活动。

### 微生物群落的组成与功能

土壤微生物群落的组成对其功能具有决定性影响。研究中发现，土壤中的主要细菌类群包括变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）。这些类群在土壤中执行着关键的生态功能，如碳固存、氮矿化和病原菌抑制等。同时，真菌类群在土壤中占据主导地位，主要包括子囊菌门（Ascomycota）、接合菌门（Mortierellomycota）和担子菌门（Basidiomycota）。这些真菌类群在植物残体分解、土壤团聚体形成和有机碳固存过程中发挥着重要作用。

覆盖作物和堆肥的施用对这些微生物类群的丰度产生了显著影响。例如，毛豆的引入增加了某些细菌类群的相对丰度，而小麦草则提高了某些真菌类群的丰度。这种差异可能与覆盖作物和堆肥提供的营养物质和有机质类型不同有关。毛豆富含氮素，能够促进氮素相关微生物的生长，而小麦草则提供丰富的碳源，有利于碳分解相关微生物的活动。此外，堆肥的施用增加了土壤中的氮素和磷素含量，这可能进一步促进了微生物群落的多样性和功能。

### 微生物功能与土壤性质的关联

微生物功能，特别是胞外酶活性（EA），是衡量土壤分解和养分循环能力的重要指标。本研究分析了土壤中与碳循环和氮循环相关的四种酶：β-葡萄糖苷酶（BG）、纤维二糖水解酶（CBH）、亮氨酸氨肽酶（LAP）和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酸酶（NAG）。这些酶的活性反映了土壤中微生物对有机质的分解能力，以及对氮素和磷素的利用效率。

研究发现，土壤的生物地球化学特性对微生物功能具有显著影响。例如，土壤的pH和EC对LAP活性具有正向促进作用，而土壤的活性碳和EC对CBH活性也有积极影响。此外，微生物群落的多样性对这些酶的活性也有一定的影响。研究结果表明，微生物α多样性虽然对酶活性的影响有限，但其对微生物功能的调控作用可能更为复杂。土壤的生物地球化学特性可能在一定程度上掩盖了微生物多样性对功能的影响，因为它们直接决定了微生物的生存环境和资源供给。

### 有机输入对微生物功能的调控机制

通过结构方程模型（SEM）的分析，研究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控微生物功能。SEM结果显示，土壤的pH和EC对LAP活性具有直接的正向促进作用，而活性碳和EC对CBH活性也有正向影响。这表明，土壤的物理化学环境在调控微生物功能方面起到了关键作用。此外，微生物群落的多样性对CBH和NAG活性也具有显著影响，这可能是因为不同的微生物类群具有不同的代谢能力和功能特征。

有机输入的质量和数量对微生物功能的调控具有重要作用。例如，毛豆和其与小麦草的混合处理对土壤中的酶活性产生了更大的影响，这可能与其较高的氮素含量和丰富的有机质有关。而小麦草的引入则提高了土壤中某些细菌类群的丰度，这可能与其较高的碳氮比有关。因此，有机输入的类型和比例在调控微生物功能方面具有重要意义。

### 未来研究方向与农业实践建议

本研究的结果表明，有机输入在改善土壤质量、促进微生物功能和维持土壤肥力方面具有重要作用。然而，由于土壤微生物的复杂性和多样性，其对土壤功能的具体影响机制仍需进一步研究。未来的研究可以关注有机输入的长期影响，特别是在不同土壤类型和气候条件下的效果。此外，还可以探讨不同有机输入组合对土壤微生物功能的协同效应，以及它们对作物产量和土壤健康的综合影响。

在农业实践中，有机输入的选择应根据土壤类型和作物需求进行调整。例如，在沙质土壤中，覆盖作物的引入可能有助于提高土壤的氮素供应和微生物多样性，而堆肥的施用则可以提供丰富的养分和有机质，促进土壤微生物的生长和活动。此外，合理的有机输入组合可能有助于提高土壤的生物地球化学特性，从而改善土壤的结构和功能。

总之，有机输入在提升土壤质量、促进微生物功能和维持土壤肥力方面具有重要作用。通过合理选择覆盖作物和堆肥类型，可以有效调控土壤的生物地球化学特性，进而改善土壤微生物群落的结构和功能。未来的研究应进一步探索有机输入对土壤微生物功能的长期影响，以及它们在不同农业系统中的应用效果。