养分诱导酸化与绿肥改良稻田土壤中溶解性有机质转化潜力降低相关

《Resources Environment and Sustainability》：Nutrient-induced acidification is associated with reduced dissolved organic matter transformation potential in green manure-amended paddy soils

　　

溶解性有机质（DOM）在土壤碳固存中发挥关键作用，然而养分富集如何影响DOM转化的分子机制仍知之甚少。研究人员采用高分辨率质谱和高通量测序，考察了养分梯度对DOM转化的影响；此处DOM转化被定义为DOM分子之间成对的生化转化，以及与之相关的细菌群落在绿肥改良稻田土壤中的变化。结果表明，与未施肥对照相比，养分添加使DOM含量提高了7.1%–24.2%。养分富集通过改变其分子组成而增强DOM稳定性，表现为向更难降解的缩合芳香类和单宁类化合物偏移，并减少木质素类化合物；同时降低分子多样性（即分子式数量）。这些分子组成变化伴随着DOM转化潜力下降（即反应水平降低；下降1.1–1.5倍）以及DOM-细菌关联模式的改变。重要的是，土壤pH与这些模式显著相关，提示养分诱导的酸化可能促成DOM转化潜力降低。研究结果表明，存在养分-pH-微生物耦合响应，这为优化养分管理策略、平衡稻田土壤碳固存与生态系统韧性提供了新的认识。

该研究发表于《Resources Environment and Sustainability》，聚焦绿肥还田条件下稻田土壤溶解性有机质（DOM）在养分富集背景下的分子组成、潜在转化过程及其与细菌群落关联模式的变化。DOM是土壤有机碳库中最活跃、最具生物可利用性的组分之一，其组成与转化直接关系到土壤碳周转、碳固存效率、养分循环以及农田生态系统稳定性。既有研究已经指出，氮（N）磷（P）等养分输入会改变DOM浓度和组成，但其影响方向并不一致：一方面，施肥可能促进根系分泌和凋落物分解，增加可利用有机碳；另一方面，也可能促进难降解芳香性组分积累，降低DOM的微生物可及性。尤其在稻田这种有机碳储量较高、同时高度依赖养分管理维持产量的农业生态系统中，绿肥不仅提供养分，还输入复杂有机底物，因此养分输入与绿肥还田共同作用下DOM转化机制仍不清楚。基于此，研究人员围绕“养分富集是否会驱动DOM向更稳定、更难转化的分子状态偏移，并通过改变细菌关联模式抑制DOM转化潜力”这一核心问题开展研究。结果表明，随着NPK投入增强，土壤DOM含量上升，但其分子组成向缩合芳香类和单宁类等更稳定组分偏移，分子多样性下降，潜在转化次数和反应水平降低；同时，DOM-细菌互作网络趋于简化并表现出更高专一化。研究进一步发现，土壤pH而非单纯养分浓度，与这些变化表现出更显著关联，表明养分诱导酸化可能是限制DOM转化的重要环境因子。该研究的重要意义在于，从分子组成、推断转化网络和微生物关联三个层面，揭示了稻田绿肥体系中养分输入对土壤碳过程的潜在约束机制，为兼顾碳固存和生态韧性的养分管理提供了依据。

在方法上，研究依托中国江西省高安市2016年建立的稻-稻-绿肥轮作长期田间试验，设置NPK0、NPK40、NPK60和NPK100四个施肥梯度，并在绿肥翻压后5个时间点采集0–20 cm土壤样品。研究人员采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）解析DOM分子组成，基于成对质量差构建潜在生化转化网络与反应组学（reactomics）指标，利用16S rRNA高通量测序解析细菌群落组成，并结合双向网络分析、主坐标分析（PCoA）、Procrustes分析、置换多元方差分析（PERMANOVA）和贝叶斯线性混合模型（BLMM）评估养分、土壤性质、DOM转化潜力与DOM-细菌关联的关系。

3.1 土壤性质变化
研究首先分析了养分添加对土壤理化性质的影响。结果显示，随着NPK投入增加，土壤pH呈轻微下降趋势，由NPK0处理的6.3降至NPK100处理的6.1，说明施肥诱导了土壤酸化。总磷（TP）和有效磷（AP）沿养分梯度升高，表明外源养分显著改变了土壤磷营养状态。总氮（TN）和有效氮（AN）在NPK100处理中最高，但其余处理间差异不明显。与此同时，Fe₂O₃和Al₂O₃含量也随NPK施用而增加。该部分结果通过贝叶斯线性混合模型得出，说明施肥不仅改变了养分水平，也同步重塑了影响有机质稳定性的土壤地球化学背景，为后续DOM组成和转化变化提供了环境基础。

3.2 土壤DOM性质与组成
在DOM总量和分子特征方面，研究人员发现养分添加显著提高了DOM浓度，DOC由NPK0的12.3 mg/L增至NPK100的15.3 mg/L。FT-ICR-MS共在60个样品中鉴定出12,238种不同DOM分子，且不同施肥处理之间的分子组成存在明显差异。木质素类化合物在全部样品中占主导地位，占比为52.6%–58.9%，其次为蛋白质类化合物。随着NPK添加增强，缩合芳香类和单宁类化合物相对丰度升高，而木质素类化合物相对丰度下降。与此同时，O/C和双键当量（DBE）总体升高，H/C下降，芳香性指数显著上升，表明DOM整体向更高芳香性、更高缩合度方向转变。值得注意的是，DOM的标准吉布斯自由能（ΔG°）与分子式数量均随养分添加而下降，提示DOM分子多样性降低、组成趋于简化。该部分结果表明，养分富集并非仅仅增加DOM数量，更重要的是将其重塑为更稳定、较难被微生物进一步利用和转化的分子集合。

3.3 土壤DOM的潜在分子转化
为进一步解析DOM可反应性与潜在生化转化，研究人员基于分子间成对质量差推断DOM转化网络。结果显示，养分富集显著降低了土壤DOM分子的潜在转化数量。全部样品中共识别约12,300种潜在转化，其中木质素类化合物具有最多的潜在转化事件，说明其在稻田DOM转化过程中占据核心位置。热力学分析显示，随NPK添加增加，热力学有利过程（TFP，ΔG≤0）比例升高，而热力学受限过程（TLP，ΔG>0）比例下降。进一步比较不同生化类别的净转化方向发现，木质素类化合物表现为净减少转化，即形成转化少于损失转化；其他类别总体表现为净增加转化，但这种净增加幅度随养分增加而减弱。
在反应组学层面，研究将DOM分子质量变化与京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库进行匹配，共识别出228类常见成对质量差（PMDs）。结果显示，DOM总体反应水平随NPK输入增加而下降，从NPK0的2.5 × 10¹¹降至NPK100的1.7 × 10¹¹。其中，氧化还原酶相关和转移酶相关反应水平也沿养分梯度持续下降。这说明在养分富集条件下，DOM虽然累积增加，但参与潜在生化反应的分子及其反应强度下降，特别是与氧化还原和基团转移有关的关键转化过程受到抑制。整体而言，该部分通过转化网络和反应组学共同证明，养分富集降低了DOM的推断转化潜力。

3.4 与土壤DOM转化潜力相关的DOM-细菌关联模式
在微生物层面，研究人员观察到细菌群落组成在不同养分处理中也存在显著差异。Procrustes分析表明，DOM组成与细菌群落组成之间具有显著相关性，提示分子组成变化与微生物群落重塑是耦合发生的。进一步基于双向Spearman相关网络构建DOM-细菌互作图谱后发现，随着养分添加增强，DOM与细菌之间的网络复杂性下降。
为量化关联模式的专一化程度，研究使用网络专一化指数H2′和物种水平专一化指数d′。结果表明，负相关网络的平均H2′高于正相关网络，且无论正负网络，H2′值均随养分添加而升高，说明细菌与DOM分子之间的联系趋于更高选择性、更少共享。进一步看主要细菌门的d′变化，NPK投入提高了负相关网络中Acidobacteriota、Actinomycetota和Bacteroidota的专一化水平，也提高了正相关网络中Acidobacteriota、Nitrospirota和Pseudomonadota的专一化水平。该结果说明，在高养分条件下，细菌类群与更窄范围的DOM分子发生统计关联，DOM-细菌关系由相对复杂多样转向更特异、更受限的模式。这与前述反应水平降低相一致，支持养分富集简化了DOM处理过程中的微生物参与方式。

3.5 土壤性质与DOM转化相关网络的关系
研究最后利用贝叶斯线性混合模型评估土壤性质与DOM-细菌网络专一化之间的联系。结果表明，在负相关网络中，土壤有机碳（SOC）和土壤pH均对H2′有显著影响，其中pH与H2′显著相关；在正相关网络中，仅土壤pH对H2′具有显著影响。进一步回归分析显示，无论正相关网络还是负相关网络，土壤pH均与H2′呈负相关关系，即pH越低，网络专一化程度越高。该结果说明，酸化程度越强，DOM与细菌之间的联系越趋于选择性，也越可能对应较低的DOM转化潜力。因此，相较于养分浓度本身，土壤pH更可能是连接施肥管理、微生物互作和DOM转化变化的关键环境调控因子。

讨论部分指出，该研究从分子组成、热力学特征、反应组学和微生物关联网络多个层面共同表明，养分富集会推动稻田土壤DOM向更难降解、更稳定的状态偏移。其核心表现包括：DOM芳香性增强，缩合芳香类和单宁类组分积累，分子多样性下降，推断反应水平降低，以及DOM-细菌关联网络专一化增强。研究人员认为，这种变化可能与多个过程相关：一是施肥导致Fe/Al氧化物增加和土壤酸化，可能增强DOM与矿物表面的结合，使部分分子难以被微生物利用；二是低pH可能改变细菌群落结构及其碳利用策略，进一步限制DOM转化。不过论文也强调，这些解释仍以相关性证据为主，尚需通过同位素标记、绝对定量、宏转录组学和稳定同位素探针等手段验证因果路径。研究还指出，FT-ICR-MS基于PPL萃取和负离子模式，仅覆盖可提取且可电离的DOM组分，因此本文关于“生物可利用性下降”与“转化潜力降低”的判断主要适用于所检测到的DOM组分；同时，16S rRNA测序和双向网络反映的是群落变化和统计关联，并不直接代表代谢活性或真实分子转化关系。尽管如此，研究仍为理解绿肥-施肥耦合下稻田土壤碳过程提供了坚实的分子生态学证据。

结论部分可译为：
本研究强调了养分富集对绿肥改良稻田土壤中溶解性有机质（DOM）分子特征及生物地球化学动态的显著影响。随着NPK投入增加，DOM组成向缩合芳香类和单宁类化合物偏移，从而提高了DOM的芳香性和稳定性；与此同时，木质素类化合物相对丰度及分子多样性下降。此外，养分富集与DOM转化潜力降低以及DOM-细菌关联模式改变相关，尤其体现在涉及木质素类化合物的关联上。关键的是，与单纯养分浓度相比，土壤pH与这些变化的相关性更为显著。上述发现支持“养分-pH-微生物”关联框架与DOM转化潜力下降之间存在联系，并提示养分管理策略应充分考虑土壤pH，以同时优化土壤碳固存和生态系统韧性。