磷是植物中含量仅次于氮和钾的大量必需营养元素。据报道,全球约有40%的耕地土壤因缺磷而限制作物增产,施用磷肥已成为提高作物产量和品质的重要农艺措施之一。但是,磷肥施入土壤后易被吸附固定,其当季利用率只有10%～25%,以无效态累积磷在土壤中高达85%,这不仅降低磷肥的施用效益,加快不可再生的磷矿资源耗竭,而且增加水体环境污染的风险。微生物是肥料养分进入土壤后循环转化过程中的关键驱动者,直接关系养分利用效率及其农学和环境效应。虽然关于不同农业措施对土壤养分转化及其微生物群落结构变化的影响已有不少研究报道,但是关于长期不同施肥模式和耕作方式及其年限对土壤磷有效性和碳氮磷耦合转化的微生物学机制及其调控原理尚不完全清楚。为此,本论文以长期肥料定位试验和时间序列土壤为研究对象,采用土壤化学测试、酶学、稳定性同位素和微生物生态学等技术相结合的方法,研究了长期施用化肥、有机无机肥配施以及不同耕作方式和年限对土壤磷有效性和碳氮磷转化相关的土壤微生物群落组成和多样性的影响及其驱动机制。取得以下主要结果:1. 以连续27年施用不同化肥的田间定位试验为研究对象,采用基于Hedley无机磷库的磷酸盐氧同位素(δ¹⁸O_P)方法,结合磷酸酶活性和磷转化相关功能基因定量技术,研究了微生物对肥料磷在土壤不同磷素形态转化中的作用机制。结果表明,长期施用磷肥尤其是氮磷钾肥平衡施用后H₂O-P_i、Na HCO₃-P_i和Na OH-P_i的δ¹⁸O_P达到或趋近于平衡区域,表明肥料磷被微生物充分周转后被分配到生物可利用磷库中,而土壤不同形态磷的δ¹⁸O_P变化可反映微生物对土壤磷素循环转化的程度。其中,有机磷化合物的胞外水解作用可促进同位素分馏,导致了Na HCO₃-P_i和Na OH-P_i产生轻于平衡值的同位素特征值,大部分肥料磷在供试的碱性潮土中经不同形态磷的多级转化后沉淀为钙结合态磷。此外,长期施用磷肥后土壤磷酸酶活性和磷功能基因绝对丰度显著提高。相关性和偏方差分析（VPA）分析显示,δ¹⁸O_P与磷酸酶活性和磷转化相关功能基因丰度呈显著相关,表明土壤不同形态磷的周转受到土壤磷酸酶和磷转化相关功能基因的调控。因此,长期施用磷肥特别是平衡施肥促进了由土壤微生物介导的土壤不同形态磷素间的转化,从而提高土壤磷素有效性。2. 以连续4年的双季稻田间施肥定位试验为研究对象,采用土壤酶学和高通量测序技术,研究了红壤性水稻土有机磷矿化（pho D）和无机磷溶解（pqq C）相关的解磷菌群落结构对有机肥部分替代化肥施肥模式的响应。结果表明,有机无机肥配施在减磷条件下可维持与常规施肥处理相当的水稻产量,显著提高土壤有效磷含量、土壤pho D基因的绝对丰度和pho D基因细菌群落中Bradyrhizobium和Methylobacterium的相对丰度。置换多因素方差分析（Adonis）分析表明,有机无机肥配施显著改变了pho D和pqq C基因的细菌群落结构和组成。网络分析显示,长期有机无机肥配施可驱动以优势微生物为中心的解磷菌群落网络结构朝复杂和稳定化方向演变,从而增强土壤解磷菌群落对外源干扰的恢复力。结构方程分析表明,土壤磷酸酶活性比磷转化功能基因更易受到解磷菌群落结构的调控。此外,除了碳源的供应外,pho D和pqq C基因的细菌群落主要受到土壤p H的驱动而影响土壤不同形态磷间的转化及其有效性。因此,有机肥部分替代化肥措施主要通过重塑土壤pho D和pqq C基因的细菌群落,促进土壤难效态有机和无机磷的活化,从而提高土壤磷素有效性和维持水稻高产。3. 以上述连续4年的双季稻田间肥料定位试验为研究对象,采用结合土壤酶学、高通量荧光定量（HT-q PCR）和高通量测序技术,研究了有机无机肥配施下土壤微生物群落结构和潜在功能的协同作用对土壤碳氮磷转化的影响及其驱动机制。结果表明,有机无机配施显著提高了以富营养微生物为主导的细菌群落多样性,增强了土壤微生物在碳氮磷转化过程中的潜在功能和相关酶活性,但并未显著改变真菌群落。线性拟合和曼特尔检验分析表明,细菌群落多样性、富营养细菌丰度、碳氮磷转化相关功能基因丰度和酶活性间均存在显著的正相关。随机森林和结构方程模型分析表明,土壤多功能性（碳氮磷转化相关的酶活性）受土壤理化性质的直接影响,并在细菌群落多样性和组成变化的驱动下受微生物潜在功能的正向调控。其中,土壤养分可利用性（包括有机碳、铵态氮和有效磷）、土壤p H和微生物潜在功能是土壤多功能性的主要驱动因子。因此,有机肥部分替代化肥主要通过提高土壤养分有效性和调节p H,而改善微生物栖息环境,驱动土壤微生物向以富营养细菌为主导的群落结构转变,进而增强土壤微生物潜在功能和土壤酶活性,从而促进土壤碳氮磷转化和提升农田土壤生态系统功能。4. 以相同潮间带湿地形成的稻作（2000年）和旱作（700年）时间序列土壤为研究对象,运用HT-q PCR和高通量测序技术,研究了不同耕作年限下稻田和旱地土壤不同土层（0-100 cm）微生物群落结构和碳氮磷转化相关功能的时空演替规律及其驱动机制。结果表明,潮间带湿地转变为水稻土和旱地土后显著改变了土壤细菌和真菌群落结构和组成,其中长期稻作过程显著增加了GCA004、env OPS12、Nitrospirales和Clostridiales等易促进养分转化的细菌类群相对丰度。置换多因素方差分析表明,在同一耕作方式下,土壤真菌群落结构和微生物潜在功能受土层深度影响较大,而土壤细菌群落结构则受耕作年限的影响更大。与旱地土壤相比,在2000年的耕作熟化过程中,稻田土壤微生物经历从“快速演替阶段”到“渐进演替阶段”,形成了以细菌为主导的均一性稳态化的群落。此外,冗余和VPA分析表明,稻田土壤碳氮磷化学计量比和微生物群落演替间存在相互促进和反馈的关系。随着稻作年限的增加,稻田土壤p H和C/N比及其与寡营养细菌的相互作用,显著提高了表层土壤中与碳氮磷转化相关的微生物潜力,从而促进有机碳和氮磷养分的周转并提高其有效性。5. 以上述2000年稻作的时间序列土壤为研究对象,运用土壤酶学、稳定同位素示踪(¹⁸O-H₂O和¹⁵N)和HT-q PCR技术,研究了稻田土壤不同土层（0-20cm、20-50 cm）中微生物碳氮磷代谢对耕种年限的响应及其有机碳积累潜力的驱动机制。结果表明,长期稻作下表层土具有显著的有机碳（SOC）积累,SOC含量分别在植稻50年和2000年后增加至65%和125%。而深层土在耕种700年后发生显著的有机碳耗损现象。土壤酶活化学计量比分析表明,稻田土壤微生物在不同土层中均受到碳氮的共同限制,但其限制程度均随着稻作年限的延长而下降。稻田表层土和深层土的微生物碳利用效率（CUE）分别在植稻1000年和700年后达到最高值,而土壤微生物生长速率在1000年分别增长了5.2和3.3倍。广义线性拟合分析表明,微生物CUE与C/P、N/P、氮限制的缓解、微生物生物量、微生物潜在功能[包括有机碳降解、碳固定（acs A基因）和氮磷转化过程]和微生物群落均一化方向均存在显著的正相关。结构方程模型显示,长期稻作过程主要通过调节土壤p H和提高资源可利用性如缓解氮限制,驱动土壤微生物群落向均一性和高潜在功能化转变,进而促进微生物的合成代谢,从而促进稻田表层土有机碳的积累。