在江苏省农业科学院一块连续35年不施化肥的试验田里，科学家们打开了一部“土壤日记”——记录着微生物群落如何从随机的“陌生人”聚会，演变为被严格筛选的“精英俱乐部”。南京农业大学张瑞福教授团队的最新研究，首次系统揭示了长期有机施肥驱动土壤微生物群落装配由随机过程向确定性过程转变，并建立了微生物功能演替与作物产量提升的直接联系。
一、有机农业的“黑箱”
有机农业被广泛认为有助于土壤健康和可持续生产，但其背后的微生物学机制却长期处于“黑箱”状态：为什么长期施有机肥的土壤更肥沃、作物产量更稳定? 微生物群落是如何变化的?这些变化又如何反哺作物生长?
这些问题不仅关乎基础科学，更直接影响有机农业的推广和精准调控。如果不能理解微生物群落的装配规律和功能演替，有机农业就难以从“经验种植”走向“科学调控”。
二、科创亮点：35年定位试验揭示的三大规律
2026年3月18日，南京农业大学资源与环境科学学院张瑞福教授团队在国际微生物学顶级期刊《Microbiome》(IF=14.65)发表研究，基于长达35年的长期定位试验，首次系统揭示了长期有机施肥下土壤微生物群落的装配机制与功能演替规律。
亮点一：装配机制转变——从“随机”到“确定性”
研究团队利用宏基因组学和群落装配分析发现，长期有机施肥驱动土壤微生物群落的装配机制发生根本转变：
短期/常规施肥：微生物群落的装配主要受随机过程主导(扩散、漂变、生态漂移)，群落组成具有较高的不确定性
长期有机施肥：微生物群落的装配转变为确定性过程主导(环境过滤、生态位分化)，群落组成趋向稳定和可预测
这意味着，长期有机肥的持续输入，像一把“筛子”，筛选出能够适应有机质丰富环境的微生物“精英”，使群落结构趋于稳定和功能优化。
亮点二：功能演替——碳氮循环功能基因显著富集
宏基因组功能分析进一步揭示了微生物功能的变化规律：
碳循环相关功能基因：参与纤维素、半纤维素、木质素等复杂有机质降解的基因丰度显著增加
氮循环相关功能基因：固氮、硝化、反硝化等氮转化相关基因丰度显著富集
代谢协同网络：微生物之间的代谢互作关系更加紧密，形成高效的“代谢联盟”
亮点三：功能演替与作物产量的正向关联
研究首次将微生物功能演替与作物产量建立直接联系：长期有机施肥下富集的特定微生物功能基因(如有机质降解、氮转化相关基因)与作物产量的长期稳定性呈显著正相关。
这意味着，微生物群落功能的重塑不仅是土壤健康的结果，更是作物高产稳产的重要驱动力。
三、技术内涵：从“谁在那里”到“在做什么”
这项研究的深层价值在于将土壤微生物研究从“谁在那里”的群落组成分析，推进到“在做什么”的功能演替分析。通过宏基因组学技术，研究团队不仅鉴定了长期有机施肥下微生物物种的变化，更定量刻画了功能基因的演替轨迹。
研究采用的长达35年的定位试验是此项研究的核心优势。长期定位试验能够捕捉短期试验无法观测到的慢变量变化——微生物群落的装配机制从随机过程向确定性过程的转变，需要数年甚至数十年的时间尺度才能显现。
四、应用前景：为有机农业提供“精准调控”工具箱
1. 指导有机肥施用的“精准化”
基于确定的微生物群落装配机制和功能演替规律，未来可开发“功能靶向”的有机肥配方，定向富集与作物产量正相关的特定微生物功能群，提高有机肥的利用效率和增产效果。
2. 构建土壤健康评价的“微生物指标”
传统土壤健康评价依赖理化指标，而微生物指标一直被忽视。该研究揭示的确定性装配过程和功能富集规律，为构建基于微生物功能基因的土壤健康评价体系提供了科学依据。
3. 加速有机农业的生态效益转化
研究明确了长期有机施肥下微生物群落功能演替的方向和机制，为有机农业从“经验型”向“科学型”转变提供了理论基础。未来可通过接种特定功能微生物或调控有机肥组分，加速新垦或退化土壤的微生物功能恢复。
4. 为气候变化适应提供微生物学方案
确定性装配过程意味着长期有机施肥下的微生物群落对外界扰动的抵抗力更强。这为应对气候变化背景下农业生态系统的稳定性提供了微生物学层面的解决方案。
五、产业意义：从“经验种田”到“微生物调控”
这项研究的深层价值在于将土壤微生物从“黑箱”变为“仪表盘”。过去，农民知道“施有机肥好”，但不清楚“为什么好”“怎样更好”;如今，科学家揭示了这个“为什么”——长期有机肥通过筛选特定微生物功能群，优化了土壤的碳氮转化能力，进而支撑作物的高产稳产。
正如论文通讯作者张瑞福教授所言：“这项研究为理解有机农业的土壤微生态调控机制提供了系统证据，也为未来有机肥的精准施用和土壤健康管理指明了方向。”
当微生物成为农业调控的“新工具”，有机农业将从“经验传承”走向“科学驱动”，这正是可持续农业的未来路径。
来源：南京农业大学资源与环境科学学院；作者：通讯作者张瑞福教授；题目：Long-term organic fertilization drives deterministic assembly and functional differentiation of soil microbial communities；发表于：Microbiome(2026年3月18日)。
