编译：gu作成熟，编辑：木木夕、江舜尧。

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实验地点位于中国北方山东省莱阳市（36.9°N，120.7°E），属暖温带半多云季风气候。土壤为非钙质潮土，含粘土19.2%，粉土28.7%，砂52.1%。pH值6.8，总氮0.5 g/kg，有机碳4.1 g/kg。玉米-小麦轮作制度始于1978年，共有三个随机重复的地块，采用三种施肥处理：（i）不施肥（对照，CK）；（ii）无机肥（氮、钾、磷，NPK）；（iii）有机肥（M）。无机肥料处理以276 kg N ha⁻¹作为尿素、135 kg K ha⁻¹作为氯化钾（KCl）和90 kg P ha⁻¹作为过磷酸钙供应。2017年6月玉米收获后采集土壤样本。用小抹子在0-20 cm深度处从每个试验地块上取六个土壤子样本（直径约5 cm），然后组合成一个土壤样本。所有土壤样品立即送到实验室，并手动分为两部分。一个在4℃下储存以供进一步试验，例如土壤团聚体分馏（一周内），另一个在-80 ℃下储存以供微生物分析。

1不同施肥类型下土壤团聚体的分布特征

与未施肥土壤相比，无机/有机肥料施入不会显著改变土壤团聚体的质量分布。团聚体的质量比例在[2000-250μm]组分中最高，其次是[<53μm]，[250-53μm]和[>2000μm]组分。三种肥料处理中，[<53μm]和[250-53μm]组分的土壤总碳(TC)、总氮（TN）、土壤有机碳（SOC）和NH₄⁺含量较高，[2000-250μm]组分的含量较低。长期施肥处理与对照相比，施肥处理后所有团聚体的土壤碳氮含量均有所增加。

2土壤团聚体酶活性、微生物功能多样性和多功能性

不同的土壤团聚体大小在不同的肥料管理处理下具有明显不同的功能特性（图1A）。在评估的酶活性中，每次施肥处理均按照总大小顺序[<53μm]> [250-53μm]>[2000-250μm]通过施肥刺激C，N，P和S循环。在土壤团聚体大小上，有机肥处理比无机肥处理更能提高土壤功能性状。以土壤酶活性为基础，采用非计量多维标度法（NMDS）研究了不同土壤团聚体粒径和施肥处理对土壤功能性状的影响。不同粒径土壤团聚体的多功能酶活性存在显著差异。此外，在NMDS分析的水平轴上，无机和有机施肥土壤团聚体的多功能酶活性与对照组明显不同。土壤团聚体中C-、N-、P-和S-循环酶活性的变异系数表现出不同的敏感性，变异系数分别为0.47、0.65、0.47和0.87。不同粒径土壤团聚体的多功能酶活性存在显著差异。GeoChip数据表明，[<53μm]组分的微生物功能Shannon多样性最高，其次是无肥土壤和无机肥土壤中的[250-53μm]和[2000-250μm]组分（图1B）。有机肥处理后，三种土壤团聚体间差异不显著。此外，在不施肥和无机肥处理后，土壤团聚体中存在显著的土壤多功能分层，其顺序为[<53μm]>[250-53μm]>[2000-250μm]（图2A）。有机肥处理后的[250-53μm]组分除外。

图1.热图显示了三种施肥处理下土壤团聚体中多种酶活性（A）和微生物功能多样性（B）的变化。变异系数（CV）反映了酶活性变化的敏感性。大写字母C、N、P和S分别表示C、N、P和S循环酶类别。

图2. 土壤团聚体分层的平均多功能指数（A），微生物功能Shannon多样性与生态系统多功能性的关系（B）。回归结果：R²=0.24，P<0.01，AIC=17.65。一系列生态系统多功能阈值的多样性效应。功能性Shannon多样性对阈值以上的功能数量的影响（C）。直线表示函数多样性与函数数之间的斜率，该斜率大于或等于每个函数最大值的5 ~ 99%。虚线表示细菌多样性单位增量函数数的变化（D）。T_min为多样性变化对多功能性影响的最小阈值，R_med为多样性对多功能性影响的最大实现值。

3微生物功能多样性与功能种类的关系

统计分析表明，微生物功能多样性与功能种类功能种类呈显著正线性关系（R²=0.24，p<0.01）（图2B）。当使用多阈值方法重新分析时，还观察到微生物功能多样性和功能种类功能种类之间正相关（图2C）。最小阈值（T_min）为7%。此时，功能多样性开始对功能种类产生积极影响（图2D）。多样性的最大实现效应（R_mde）为2.2。此外，在60%的阈值下，功能多样性的正向影响最强，这表明增加一个特定功能基因多样性的多样性可以增加2.2%的功能。功能种类差异与土壤微环境因子正相关（R²=0.84，p<0.01）（图3A），与土壤微生物功能基因组成不相关（图3B）。虽然不同土壤团聚体的微生物功能基因组成存在较大差异。

图3. 生态系统多功能差异性与微环境因子差异性（包括土壤全碳氮、有机碳和NH₄⁺）之间的关系（A），微生物功能基因组成不同的线性回归（B）。

4环境因子对功能种类的直接和间接影响

随机森林模型解释了89.5%的总体功能种类方差，土壤有机碳是最显著的预测因子（图4）。土壤全碳、全氮和微生物功能多样性也是重要指标（p < 0.05）。此外，土壤非生物因子可能比微生物功能多样性(生物因子)更能预测功能种类。结果还表明，土壤团聚体分层（p < 0.05）比施肥方式（p > 0.05）对功能种类的预测更重要。结构方程模型（SEM）显示，土壤TC、TN、SOC和NH₄⁺等土壤变量以及微生物功能多样性可以解释土壤生态系统多功能的98%的变异（图5A）。SOC（路径系数= 0.78；p < 0.01）对土壤生态系统多功能有直接正向影响，其次是TN（通径系数为0.20）和NH₄⁺（通径系数为0.11）。微生物功能多样性（通径系数= 0.07）对土壤生态系统多功能也有直接的正向影响，而NH₄⁺通过调节功能多样性产生间接影响。为了进一步评价驱动因素对功能种类的综合调控作用，我们分析了多个不同个体参数的标准化总效应（图5B）。结果表明，土壤碳对功能种类的正综合影响最大，其次是土壤全氮和施肥类型。与施肥相比，土壤团聚体大小对土壤多能性的总负作用较大，表明较小的土壤团聚体对土壤多能性的影响大于较大的土壤团聚体。

图4. 生态系统多功能性的主要预测因子。图中显示了随机森林平均预测因子、土壤变量驱动因子和功能微生物多样性（Shannon指数）对生态系统多功能性的重要性（MSE增加的%）。各预测因子的显著性水平为:*p <0.05，**p <0.01。

图5. 土壤变量和微生物功能多样性对生态系统多功能性的直接和间接影响（A）。标准化的总效应（直接加间接效应源自上文（B）所描述的结构方程模型。箭头旁边的数字表示关系的效应大小。p-值在括号中。包含变量后的数字显示了其预测变量对其方差的解释百分比。

土壤团聚体的微尺度空间异质性和复杂性影响着微生物的分布、丰度、活性和分类组成，决定着微生物多样性和生态系统功能的维持和演化。在我们的研究中，土壤团聚体组分中多种酶活性的顺序为[<53μm]>[250-53μm]>[2000-250μm]。这与之前的一些结果一致，即在土壤碳氮含量较高的小型土壤团聚体中，酶活性/特异性过程（如β-木糖苷酶、N-乙酰-β-葡萄糖胺酶和潜在的硝化活性）和微生物丰度都比大型团聚体高。微生物功能丰度（如C-和N-循环相关微生物功能丰度）和多种酶活性的分布模式似乎与土壤团聚体内的资源可用性一致，这表明较小土壤团聚体中更高的资源可用性可以支持更大的微生物丰度酶水平和多种酶活性。

本研究发现，具有不同微生物功能多样性的土壤团聚体大小的变化是影响多种土壤酶活性变化的主要因素（图1），这表明，土壤团聚体分层可间接导致土壤多功能分化。这些结果支持了这一假设，即较小的土壤团聚体比较大的土壤团聚体对功能种类有更大的积极影响（图2A）。此外，在不同肥料施入下，较小的土壤团聚体比较大的土壤团聚体具有更高的微生物多样性（图1B）。结果还表明，微生物功能多样性对土壤的多功能性具有正向和直接的调节作用（图2C）。我们的研究结果表明，在微尺度上，由土壤团聚体大小分层的微生物功能多样性是影响同时维持土壤生态系统多功能的重要因素，它支持不同的土壤过程，如有机质分解和氮循环（图1）。一种可能的解释是，由于生态位互补和/或微生物相互作用，土壤生态系统功能可能与生物多样性相耦合，因此具有不同功能特性的相关物种共存，以提高资源的利用率。例如，酶介导的有机物从复杂的聚合物降解成更简单、更不稳定的单体需要大量不同的微生物群的合作。碳循环酶活性与土壤有机碳和微生物功能多样性呈正相关，这一假设得到了实验数据的支持。此外，我们的随机森林模型清楚地表明，土壤TC、TN、SOC和NH₄⁺是C-、N-、P-和S-循环相关酶活性和功能种类的关键决定因素。因此，具有较高碳氮有效性的土壤团聚体可以支持更多种类的微生物，从而进一步加速生物地球化学循环。据我们所知，这是首次在土壤微尺度上将微生物功能多样性和土壤性质与多功能性联系起来的研究。

微生物功能基因编码多种酶参与初级生物地球化学过程，可以将微生物的分类组成与其潜在的代谢能力和生态功能联系起来。我们的GeoChip数据显示，无论施肥如何，土壤聚集体都可以显着影响功能基因的组成。然而，功能种类的差异性与功能基因组成之间没有明显的关系（图3），这表明在不同施肥制度下，生态系统的多功能性不是由土壤团聚体尺度上的微生物功能基因组成决定的。此外，我们的研究表明，微生物多样性和功能基因组成以非合作的方式影响多种生态系统功能（图3），微生物多样性对多种功能的贡献大于功能基因组成。此外，在微尺度上预测土壤微生物多功能时，微生物功能基因多样性的变化比微生物功能基因组成的变化更重要。此外，我们的研究强调，在微尺度水平上预测多功能性时，土壤微生物功能基因多样性的变化比微生物功能基因组成的变化更为重要。

在土壤团聚体水平上，研究了土壤资源有效性（碳、氮、非生物因子）和微生物功能多样性（生物因子）对功能种类的影响。此外，高可变性（98%）可以解释结构方程模型确定的多功能性（图5）。由此可以直观地推测，其他生物和非生物因素可能无法进一步改善功能种类的预测。土壤有机碳对土壤多功能动态有较强的影响。碳和氮的直接作用可能部分是由于各种异养微生物可利用的营养物质和能量的供应来生产酶，这意味着更高的营养水平可以间接提高其多功能。另一方面，土壤有机碳通过促进土壤团聚体的物理稳定性来改善不同微生物的微环境，这对微生物的功能具有重要意义。

结果表明，土壤团聚体大小对功能种类有间接的负向影响，且较小的团聚体对功能种类的影响大于较大的团聚体。有机肥增强了土壤团聚体的多功能性，无机肥降低了多功能性。这些生物特性（微生物功能多样性）和非生物特性（土壤碳、氮）的结合可以提高不同施肥制度下土壤团聚体多功能性的评价。总体而言，我们的研究为微尺度上土壤属性和微生物功能多样性在生态系统功能调控中的重要性提供了新的视角。

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