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土壤有机碳(SOC)是土壤肥力的核心，施用有机物料是提升SOC含量的有效途径，明确其机制对于快速提升SOC和培肥土壤具有重要意义。而磷素是作物生长所必需的大量营养元素之一，磷素短缺已经成为限制陆地生态系统生产力发挥的重要因素之一。通过有机物料施用提升SOC协同提升土壤磷的有效性，对农业可持续发展具有重要意义。红壤是中国南方地区主要土壤类型，占中国耕地面积28％，红壤中磷素有效性极其低下。如何快速提升红壤有机碳，增加土壤磷素有效性，对于红壤区农业可持续发展以及保证国家粮食安全具有重要意义。土壤微生物调控的土壤生物化学过程是土壤有机碳积累转化和养分循环的重要调节者，其多样性及结构在有机物料输入的影响下，对土壤生态系统多功能性及稳定性，特别是决定土壤肥力水平的SOC有重要的反馈作用。目前关于有机物料输入下土壤微生物对SOC的封存及有机物料施用对磷素有效性影响的机制尚不明确。
为明确有机物料施用下土壤养分有效性及微生物对环境的响应本研究7年连续等碳量不同有机物料施用的长期定位试验，明确有机物料施用增加SOC提升土壤肥力后对磷的有效性产生影响，并通过土壤磷分级、磷酸酶活性测定以及phoD基因高通测序分析，研究了不同有机物料施用对土壤P的有效性以及ALP细菌群落演替的影响机制。并基于3年的不同量有机物料（生物炭）施用分析了有机物料施用对SOC提升的影响机制，通过Illumina高通量测序、Biolog板碳代谢活性以及呼吸熵测定，明确了有机物料施用对SOC封存的影响。主要开展以下研究工作:(1)有机物料输入改善红壤肥力及促进作物增产的机制(2)有机物料输入影响红壤磷素有效性的机制;(3)有机物料施用土壤微生物群落演替规律及其驱动机制;(4)土壤微生物群落在有机物料输入下对SOC封存的影响。
基于有机物料投入7年后的长期定位试验研究结果表明:长期有机物料投入可以显著增加红壤早地玉米生物量和产量，且以秸秆猪粪9∶1配施(NPKS/M)处理效果最佳，其产量约为常规施肥(NPK)的3倍。长期有机物料投入可以显著改善红壤肥力，尤其是对土壤全磷(TP)和有效磷(AP)含量的影响最为突出。有机物料施用主要通过提升SOC含量影响玉米产量，土壤TP和AP能够直接决定玉米生物量和产量，而SOC和交换性盐基离子含量则主要通过影响土壤TP或者AP从而影响玉米生长，土壤TP和AP是瘠薄红壤生产力发挥的关键限制因子。
基于有机物料施用7年后的长期定位试验研究结果表明:施用有机物料可以提高土壤磷活化系数(PAC)和磷肥利用率，磷肥表观利用率和经济利用率分别上升了1.24～14.49％和1.61～9.42％。以NPKS/M处理效果最佳，PAC与NPK处理相比上升了1.19倍，磷肥表观利用率和经济利用率分别上升了14.49％和9.42％;其次为生物炭(NPKBC)处理，磷肥利用率也显著高于NPK处理。施用有机物料可以显著提高土壤有机磷(Po)、铁磷(Fe-P)、柠檬酸提取磷(Citrate-P)及盐酸提取磷(HCl-P)的含量，且这些组分均与土壤有效磷含量显著正相关，对土壤PAC影响显著。施用有机物料促进土壤细菌和解磷菌多样性的升高，并改变了其群落结构，土壤总细菌和解磷菌多样性和群落结构均会显著影响土壤PAC;同时施用有机物料会降低土壤碳代谢活性，增加碱性磷酸酶的活性，碱性磷酸酶活性对土壤PAC影响显著。施用有机物料土壤PAC和磷肥利用率先上升后保持稳定，且以NPKS/M处理效果最佳，土壤PAC最终维持在2.5％左右，约为NPK的2.2倍，显著提高了土壤磷素的有效性。
基于连续7年有机物料投入长期定位试验结合高通量测序大数据集研究结果表明:长期有机物料投入可以显著改变分泌碱性磷酸酶(ALP)细菌的加权Unifrac主坐标分析(PCoA)的群落结构。长期有机物料投入显著改善红壤肥力性质，土壤ALP细菌生态位宽度指数上升，同时物种间的生态位重叠指数也会上升，ALP细菌共生网络的正负连线比下降，负交互作用增强，而未施用有机物料处理网络正负连线比无显著变化。土壤中ALP细菌群落演替符合时间衰减关系，有机物料施用会加速ALP细菌的群落演替速率，并且会增加ALP细菌群落装配的随机性过程，网络正负连线比(PNP)下降，物种竞争作用增强且会显著加快ALP细菌群落演替速率。
基于以上研究结果，进一步分析了有机物料施用促进SOC封存提升土壤肥力的机制，以三种生物炭施用量以及两种非生物炭处理3年的田间试验为研究对象，发现施用生物炭土壤微生物碳代谢活性和呼吸熵(qCO2)显著下降，生物炭主要通过降低微生物对碳水化合物的代谢活性，从而对土壤有机碳产生负激发效应，但对羧酸类、氨基酸类、酚酸类、胺类和聚合物类碳源代谢活性影响不显著。土壤水分库容和pH通过增加关键物种的竞争作用强度，促进细菌和真菌多样性上升，产生负激发效应，提升土壤生态功能。施用生物炭土壤细菌网络关键种由Sphingomonas的物种改变为Arthrobobacter和Gemmatimonadaceae中的物种，真菌由Aspergillus的物种改变为Chaetomium和Penicillium中的物种。生物炭主要通过促进网络关键种与周边微生物之间的竞争作用，从而增加细菌和真菌的多样性，导致碳水化合物代谢活性下降，土壤呼吸熵降低，产生负激发效应，提升土壤有机碳含量。
本研究通过7年连续等碳量施用不同有机物料对旱地红壤农田生态系统生产力的影响及其因素研究，明确了限制瘠薄旱地红壤生产力的主要因素是磷素含量。通过有机碳的输入，以碳调磷，提高红壤磷素的有效性，通过资源丰富且容易获得的秸秆/猪粪等的投入促进有限磷素资源的高效利用，为红壤区磷素高效利用提供了新思路。并利用3年的定位试验研究了有机物料（生物炭）施用对SOC封存的影响及其机制，揭示了生物炭施用引起负激发效应的微生物关键物种竞争作用机制。
为明确有机物料施用下土壤养分有效性及微生物对环境的响应本研究7年连续等碳量不同有机物料施用的长期定位试验，明确有机物料施用增加SOC提升土壤肥力后对磷的有效性产生影响，并通过土壤磷分级、磷酸酶活性测定以及phoD基因高通测序分析，研究了不同有机物料施用对土壤P的有效性以及ALP细菌群落演替的影响机制。并基于3年的不同量有机物料（生物炭）施用分析了有机物料施用对SOC提升的影响机制，通过Illumina高通量测序、Biolog板碳代谢活性以及呼吸熵测定，明确了有机物料施用对SOC封存的影响。主要开展以下研究工作:(1)有机物料输入改善红壤肥力及促进作物增产的机制(2)有机物料输入影响红壤磷素有效性的机制;(3)有机物料施用土壤微生物群落演替规律及其驱动机制;(4)土壤微生物群落在有机物料输入下对SOC封存的影响。
基于有机物料投入7年后的长期定位试验研究结果表明:长期有机物料投入可以显著增加红壤早地玉米生物量和产量，且以秸秆猪粪9∶1配施(NPKS/M)处理效果最佳，其产量约为常规施肥(NPK)的3倍。长期有机物料投入可以显著改善红壤肥力，尤其是对土壤全磷(TP)和有效磷(AP)含量的影响最为突出。有机物料施用主要通过提升SOC含量影响玉米产量，土壤TP和AP能够直接决定玉米生物量和产量，而SOC和交换性盐基离子含量则主要通过影响土壤TP或者AP从而影响玉米生长，土壤TP和AP是瘠薄红壤生产力发挥的关键限制因子。
基于有机物料施用7年后的长期定位试验研究结果表明:施用有机物料可以提高土壤磷活化系数(PAC)和磷肥利用率，磷肥表观利用率和经济利用率分别上升了1.24～14.49％和1.61～9.42％。以NPKS/M处理效果最佳，PAC与NPK处理相比上升了1.19倍，磷肥表观利用率和经济利用率分别上升了14.49％和9.42％;其次为生物炭(NPKBC)处理，磷肥利用率也显著高于NPK处理。施用有机物料可以显著提高土壤有机磷(Po)、铁磷(Fe-P)、柠檬酸提取磷(Citrate-P)及盐酸提取磷(HCl-P)的含量，且这些组分均与土壤有效磷含量显著正相关，对土壤PAC影响显著。施用有机物料促进土壤细菌和解磷菌多样性的升高，并改变了其群落结构，土壤总细菌和解磷菌多样性和群落结构均会显著影响土壤PAC;同时施用有机物料会降低土壤碳代谢活性，增加碱性磷酸酶的活性，碱性磷酸酶活性对土壤PAC影响显著。施用有机物料土壤PAC和磷肥利用率先上升后保持稳定，且以NPKS/M处理效果最佳，土壤PAC最终维持在2.5％左右，约为NPK的2.2倍，显著提高了土壤磷素的有效性。
基于连续7年有机物料投入长期定位试验结合高通量测序大数据集研究结果表明:长期有机物料投入可以显著改变分泌碱性磷酸酶(ALP)细菌的加权Unifrac主坐标分析(PCoA)的群落结构。长期有机物料投入显著改善红壤肥力性质，土壤ALP细菌生态位宽度指数上升，同时物种间的生态位重叠指数也会上升，ALP细菌共生网络的正负连线比下降，负交互作用增强，而未施用有机物料处理网络正负连线比无显著变化。土壤中ALP细菌群落演替符合时间衰减关系，有机物料施用会加速ALP细菌的群落演替速率，并且会增加ALP细菌群落装配的随机性过程，网络正负连线比(PNP)下降，物种竞争作用增强且会显著加快ALP细菌群落演替速率。
基于以上研究结果，进一步分析了有机物料施用促进SOC封存提升土壤肥力的机制，以三种生物炭施用量以及两种非生物炭处理3年的田间试验为研究对象，发现施用生物炭土壤微生物碳代谢活性和呼吸熵(qCO2)显著下降，生物炭主要通过降低微生物对碳水化合物的代谢活性，从而对土壤有机碳产生负激发效应，但对羧酸类、氨基酸类、酚酸类、胺类和聚合物类碳源代谢活性影响不显著。土壤水分库容和pH通过增加关键物种的竞争作用强度，促进细菌和真菌多样性上升，产生负激发效应，提升土壤生态功能。施用生物炭土壤细菌网络关键种由Sphingomonas的物种改变为Arthrobobacter和Gemmatimonadaceae中的物种，真菌由Aspergillus的物种改变为Chaetomium和Penicillium中的物种。生物炭主要通过促进网络关键种与周边微生物之间的竞争作用，从而增加细菌和真菌的多样性，导致碳水化合物代谢活性下降，土壤呼吸熵降低，产生负激发效应，提升土壤有机碳含量。
本研究通过7年连续等碳量施用不同有机物料对旱地红壤农田生态系统生产力的影响及其因素研究，明确了限制瘠薄旱地红壤生产力的主要因素是磷素含量。通过有机碳的输入，以碳调磷，提高红壤磷素的有效性，通过资源丰富且容易获得的秸秆/猪粪等的投入促进有限磷素资源的高效利用，为红壤区磷素高效利用提供了新思路。并利用3年的定位试验研究了有机物料（生物炭）施用对SOC封存的影响及其机制，揭示了生物炭施用引起负激发效应的微生物关键物种竞争作用机制。