溶解有机物的化学特性对中国亚热带地区稻田土壤中微生物群落的影响

本研究通过3DEEM-PARAFAC分析及PLFA-SEM方法，揭示了亚热带水稻田不同长期施肥处理下DOM化学特性与微生物群落的耦合关系。结果表明，NPKM处理显著提升DOM含量（48.12 mg kg⁻¹）及C1-C3荧光组分强度，促进微生物总FAMEs增加71.32%和群落结构分化。HIX是微生物生物量主要驱动因子（贡献率>35%），DOM量通过抑制R型策略微生物（r=-0.431）抑制群落，而DOM组分多样性（r=0.405）则通过优化微生物环境促进结构优化。

刘亚欣|叶英聪|李大明|崔荣|刘晓莉|陈玲|吴梦|刘佳|郭曦|刘明

鄱阳湖流域农业资源与生态学重点实验室（部委与省级共建），农业农村部，江西农业大学，南昌330045，中国

摘要

本研究探讨了不同长期施肥制度下溶解有机质（DOM）化学特性对亚热带稻田土壤微生物群落组成的影响。利用三维激发-发射矩阵荧光光谱（3DEEM）结合平行因子分析（PARAFAC）方法分析了DOM的化学特性。通过磷脂脂肪酸（PLFA）分析表征微生物群落，并应用结构方程模型（SEM）评估微生物特性的关键驱动因素。研究识别出三种荧光组分：芳香蛋白类物质和可溶性微生物副产物类物质（C1）、类腐殖酸物质（C2）以及类富里酸和类腐殖酸物质（C3）。与对照组（CK，不施肥）相比，氮磷钾复合有机肥（NPKM）显著增加了溶解有机碳（DOC）含量（48.12 mg kg⁻¹；p < 0.05）以及C1-C3组分的荧光强度。PLFA分析显示总脂肪酸甲酯（Total FAMEs）增加了71.32%，主成分分析（PCA）证实微生物群落结构发生了显著变化。腐殖化指数（HIX）是驱动微生物生物量的主要因素，解释了超过35%的变异；SEM表明DOM含量对微生物群落有负面影响，这一点通过PCA得分得到体现。有机-无机肥料的联合施用促进了DOM的腐殖化过程和微生物活性：DOC含量通过R-策略型微生物抑制了微生物群落（r = -0.431），而DOM组分的多样性改善了群落结构（r = 0.405），从而可能提高亚热带稻田土壤的肥力。

引言

溶解有机质（DOM）是土壤生态系统中的高度活跃且不可或缺的组成部分，它作为连接土壤碳库、养分循环和微生物代谢的中心枢纽，在土壤生态过程中发挥着多方面的作用（Li等人，2023；She等人，2022）。DOM为微生物的生长和发育提供初级碳源和能量来源，是土壤微生物群落建立和功能维持的物质基础。它还通过调节颗粒聚集、胶体稳定性和污染物吸附-解吸等过程，显著影响土壤结构稳定性和生态完整性（Roth等人，2019；Wang等人，2025）。在分子层面，DOM的化学特性（如芳香性、腐殖化程度和组成）决定了其生物可利用性，从而选择性地驱动特定微生物类群的增殖和代谢。反之，微生物的分解和转化也反过来影响DOM的数量和结构特征，形成动态耦合的相互作用（Liu等人，2023a；Wu等人，2021）。

长期施肥是调节农业生产中土壤肥力和作物产量的关键措施（Zhao等人，2024）。不同的施肥制度通过直接引入外源物质或间接改变土壤微环境，显著影响DOM的数量和化学特性（Xu等人，2023）。单独施用氮肥或氮磷复合肥主要通过刺激根系分泌物和作物残茬回流增加易降解的碳库，但可能导致DOM组成简化，腐殖化程度降低（Zhang等人，2015）。相比之下，氮磷钾复合肥的施用改善了土壤养分平衡，促进了DOM的转化，尽管它不提供外源复杂有机物质。相比之下，有机肥与无机肥、秸秆和其他有机改良剂的综合施用不仅直接补充了易降解的底物，还提供了丰富的类腐殖质物质，从而显著提高了DOM含量和组成多样性，促进了DOM的腐殖化，形成了更稳定和芳香的DOM组分（Bernal等人，2009；Liang等人，2012）。这些由施肥引起的DOM数量和化学特性的差异不可避免地改变了碳源的可用性和微生物的生存环境，从而引发了微生物生物量和群落结构的差异响应（Sun等人，2025；Wang等人，2025）。然而，在不同施肥制度下，DOM化学特性与微生物群落之间的耦合关系及其潜在的调控机制仍不清楚。最近的研究报道了施肥对土壤DOM和微生物的影响（Wu等人，2021；Xia等人，2025），但大多数研究仅关注DOM化学组分或单一指标与微生物生物量或多样性的相关性（Davenport等人，2025a；Davenport等人，2025b；Zhang等人，2024）。因此，DOM来源和化学特性在调节微生物群落结构中的作用仍不明确，限制了我们对不同施肥条件下DOM驱动的微生物群落变化的理解。

水稻（Oryza sativa L.）是中国最重要的作物之一，占全国耕地面积的约30%。超过90%的稻田位于热带和亚热带地区，这使得该系统成为国家粮食安全的基石（Liu等人，2018）。在稻田生态系统中，DOM动态与土壤肥力的演变密切相关（Li等人，2023）。作为土壤养分可用性的调节剂和微生物活动的催化剂，DOM通过影响微生物群落结构和功能，间接调节养分循环效率、作物养分吸收和利用以及抗逆性（Hu等人，2021；Wu等人，2023），从而对水稻生产力产生深远影响（Sun等人，2025；Xia等人，2025）。因此，阐明稻田土壤中DOM与微生物之间的相互作用对于理解亚热带地区的土壤肥力和稻田生产力至关重要（Chen等人，2018）。

基于在亚热带红壤稻田进行的35年长期施肥实验，本研究利用三维激发-发射矩阵荧光光谱（3DEEM）结合平行因子分析（PARAFAC）方法，表征了不同施肥处理下DOM的数量、化学特性（荧光组分、腐殖化指数、生物指数等）及其来源。通过磷脂脂肪酸（PLFA）分析确定了微生物群落结构，并进一步研究了DOM数量和化学特性对微生物群落的调控作用和关键驱动因素。本研究的目标是：（1）确定长期施肥对稻田土壤中DOM数量、化学特性和来源的影响；（2）阐明DOM数量和化学特性与微生物群落组成之间的定量关系和潜在机制。

实验地点描述和土壤采样

长期施肥实验在中国江西省鹰潭红土生态实验站进行（北纬28°15’30”，东经116°55’30”）。该地区具有典型的季风气候，年平均温度为17.6℃，年降水量为1795毫米，年蒸发量为1318毫米。实验田于1990年在第四纪红粘土构成的贫瘠土地上建立。

实验包括五种施肥处理，每种处理包含三个

长期施肥下土壤DOM化学特性的变化

对照组的DOC含量为10.76 ± 1.5 mg kg⁻¹。氮肥处理组的DOC含量（15.52 ± 1.78 mg kg⁻¹）高于对照组，而氮磷复合肥处理组（13.54 ± 2.44 mg kg⁻¹）介于对照组和氮肥处理组之间。氮磷钾复合肥处理组显著增加了DOC含量至25.25 ± 0.59 mg kg⁻¹（p < 0.05），明显高于其他处理组。氮磷钾复合有机肥处理组的DOC含量最高（48.12 ± 9.49 mg kg⁻¹；p < 0.05），表明有机肥和秸秆的添加

长期施肥对DOM数量和化学特性的影响

作为土壤碳循环和养分转化的核心载体，DOM数量和化学特性的变化并非孤立过程，而是与土壤物理化学性质的变化紧密相关。有机-无机肥料的联合施用通过不同机制调节DOM的生成、转化和积累（Bolan等人，2011；Roth等人，2019）。在本研究中，所有施肥处理下的DOC含量均

结论

基于本研究，长期有机-无机肥料的联合施用显著增加了DOC含量，并增强了与芳香蛋白类、类腐殖酸和类富里酸物质相对应的荧光组分。PLFA分析显示微生物生物量增加，尤其是放线菌和G⁺细菌的富集明显。氮磷钾复合肥处理组下微生物群落的显著聚集反映了施肥的影响

CRediT作者贡献声明

刘晓莉：数据可视化。陈玲：数据可视化。吴梦：方法学、概念构建。刘佳：方法学。郭曦：监督。刘明：资金获取。刘亚欣：初稿撰写、正式分析、数据管理、概念构建。叶英聪：方法学。李大明：方法学、概念构建。崔荣：方法学。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42177294和42167049）、农业农村部和农业部农业研究系统（CARS-22）以及鹰潭市科技项目（20255–422283）的支持。