3. أدت مدخلات الفحم الحيوي وروث الخنازير إلى إثراء ملحوظ للميكروبات الوظيفية في التربة المتعلقة بدورات الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت بدرجات متفاوتة.
4. كانت الزيادة في القوة الدافعة الكهربائية مرتبطة بعمليات التربة المدفوعة بالميكروبات مثل تحلل الكربون، النترجة، وتعدين الفوسفور العضوي.
5. يمكن أن يؤدي إدخال الفحم الحيوي في إنتاج المحاصيل مع التعديلات العضوية إلى تعزيز وظائف وخدمات النظام البيئي الزراعي.

الكلمات الرئيسية: الفحم الحيوي، السماد العضوي، الميكروبيوم الوظيفي، وظائف النظام البيئي، التعدد الوظيفي

في الإنتاج الزراعي، يمكن أن تؤثر التسميد، كإجراء رئيسي لإدارة الأراضي الزراعية، على متطلبات المغذيات للميكروبات التربة والمحاصيل، فضلاً عن التأثير على التفاعلات الكيميائية الحيوية في التربة والوظائف البيئية التي تتوسطها الميكروبات (جيا وآخرون 2022). ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الاستخدام المفرط طويل الأمد للأسمدة المعدنية إلى تلوث البيئة وتدهور التربة، مما يؤثر بدوره على صحة وعمليات الأنظمة الزراعية بأكملها (حسين وآخرون 2022). يمكن أن توفر الأسمدة العضوية مادة عضوية غنية و
المغذيات المتاحة لتعزيز الأنشطة والعمليات الميكروبية في التربة، ثم الحفاظ على خدمات النظام البيئي أو تعزيزها (هان وآخرون 2022؛ وو وآخرون 2021). بالإضافة إلى الأسمدة العضوية، تم استخدام الفحم الحيوي على نطاق واسع كمعالج للتربة أو مادة عضوية في إنتاج المحاصيل وتحسين التربة في السنوات الأخيرة. يمكن أن يحسن الهيكل المسامي الغني، والمغذيات، والكربون (C) في الفحم الحيوي من بنية التربة وإمدادات المغذيات ويزيد من تخزين الكربون في التربة (ليو وآخرون 2023؛ باي وآخرون 2022). وبالتالي، قد تكون مكاسب خصوبة التربة وإنتاجية المحاصيل أكبر عند خلط الفحم الحيوي مع الأسمدة العضوية من
مع التطبيقات الفردية (Brtnicky et al. 2019؛ Bai et al. 2022؛ Liu et al. 2022a؛ Yan et al. 2023). ومع ذلك، فإن الدراسات الحالية حول تأثيرات تطبيقها المشترك على الوظائف المتعددة (المعروفة باسم “التعددية الوظائف”) للنظم البيئية الزراعية غير كافية.
تتعلق الخدمات أو الوظائف التي تقدمها النظم البيئية الزراعية ارتباطًا وثيقًا بتنوع ووظيفة المجتمعات الميكروبية في التربة (زابالا وآخرون 2021). تشارك الميكروبات التربة في عمليات وظيفية متنوعة مثل دورة المغذيات، وكبح الأمراض، والإنتاج الأولي، وبالتالي تلعب أنواع الميكروبات الخاصة في التربة دورًا حيويًا في EMF (سينغ وآخرون 2021؛ هان وآخرون 2022). على سبيل المثال، يمكن أن تدفع الأنواع الميكروبية المرتبطة بدورة الكربون تحلل المواد العضوية وتؤثر على تخزين الكربون في التربة، مما ينظم توازن الكربون في النظام البيئي (باسيلي-دولش وآخرون 2020). يمكن للبكتيريا المثبتة للنيتروجين أن تثبت النيتروجين (N) من الغلاف الجوي إلى الأمونيا لامتصاص النباتات (آسفار وآخرون 2021). كما تؤثر بعض الأنواع الوظيفية أيضًا على دورة النيتروجين في النظام البيئي من خلال تحفيز عمليات نترت التربة ونزع النيتروجين (داي وآخرون 2020). الفوسفور يمكن أن تعزز الميكروبات القابلة للذوبان انحلال الفوسفور غير القابل للذوبان ثم تزيد من توفر الفوسفور في التربة (وانغ وآخرون 2023). يمكن أن يوفر تحلل الكبريت العضوي (S) المزيد من مصادر الكبريت لميكروبات التربة والنباتات؛ وفي الوقت نفسه، يؤثر دورة الكبريت على دورات الكربون والنيتروجين في التربة (سها وآخرون 2018). بالإضافة إلى ذلك، يمكن لميكروبات التربة أيضًا استخدام الإنزيمات لتحلل مشتقات مختلفة في المواد العضوية لتحسين أنشطتها الأيضية، مما يعزز دوران المواد في التربة (سيف الله وآخرون 2018). على الرغم من أن ميكروبات التربة يمكن أن تؤثر على وظائف متعددة في النظم البيئية الزراعية، إلا أن هناك دراسات قليلة حول استجابة الأنواع الميكروبية الوظيفية الرئيسية المرتبطة بعمليات دورة الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت على التطبيقات المشتركة للفحم الحيوي والأسمدة العضوية. وهذا يحد من قدرتنا على فهم أدوار الفحم الحيوي بالتعاون مع الأسمدة العضوية في تنظيم الفطريات الميكروبية من منظور التحكم في الميكروبيوم الوظيفي.
قد تؤدي التغيرات في ممارسات الإدارة مثل استخدام الأراضي والتسميد إلى تغيير قدرة الكائنات الدقيقة في التربة على الحفاظ على الوظائف المتعددة للنظم البيئية فوق وتحت الأرض (Delgado-Baquerizo et al. 2016). قد يكون لأي فقدان في تنوع الكائنات الدقيقة في التربة تأثير سلبي على وظائف النظام البيئي (Delgado-Baquerizo et al. 2020). لذلك، يمكن أن يؤثر وضع مجموعات الكائنات الدقيقة الوظيفية الخاصة في التربة على EMF واستقراره (Luo et al. 2018, 2019). تُستخدم نشاط إنزيمات التربة، ومحتوى المواد العضوية والمواد الغذائية، وامتصاص النباتات للمواد الغذائية والإنتاجية، والكتلة الحيوية الميكروبية بشكل واسع كمؤشرات لتقييم وظائف وخدمات النظام البيئي (Delgado-Baquerizo et al. 2016؛ Luo et al. 2018؛ Zak et al. 2019). يمكن أن تؤثر الكائنات الدقيقة الوظيفية على عمليات كيميائية حيوية مختلفة في التربة، ويمكن أن تؤدي عمليات ميكروبية متنوعة تحدث في التربة بشكل مباشر أو غير مباشر.
تنظم البيئات الحيوية فوق الأرض (سينغ وآخرون 2021). لذلك، فإن تقييم كيفية ظهور التآزر أو التبادلات بين وظائف النظام البيئي مهم لفهم تنفيذ EMF (يوان وآخرون 2020). يتم قياس مؤشر EMF بشكل رئيسي من خلال طريقة القيمة المتوسطة وطريقة العتبة المتعددة، حيث يتم استخدام كلاهما معًا لتقييم تأثيرات تنوع التربة على EMF بشكل أفضل (لي وآخرون 2020؛ ليو وآخرون 2019ب). وبالتالي، يمكن أن يوضح التقييم متعدد الأبعاد بشكل فعال كيف تنظم إضافات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية وظائف النظام البيئي وعلاقاتها مع الميكروبات الوظيفية الخاصة.

كان الهدف الرئيسي من هذا البحث هو استكشاف تأثيرات تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية على الميكروبيومات الوظيفية في التربة وعلاقاتها مع وظائف النظام البيئي من خلال إنشاء قاعدة بيانات لتجربة ميدانية طويلة الأمد. قمنا بالتحقيق في تنظيمات تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية على وفرة الجينات الوظيفية التي تكتسب الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت في التربة عبر تقنية q-PCR عالية الإنتاجية (الملف الإضافي 1: الجدول S1). اخترنا 18 وظيفة من وظائف النظام البيئي (بما في ذلك أنشطة إنزيمات التربة، مغذيات التربة، الكتلة الحيوية الميكروبية في التربة، وإنتاجية المحاصيل) لاستكشاف تأثيرات تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية على وظائف النظام البيئي الفردية وEMF (الملف الإضافي 1: الجدول S2). تم تطبيق طرق بيئية متعددة، مثل الشبكات والنماذج البيئية، لكشف الروابط بين وفرة الميكروبات الوظيفية ووظائف النظام البيئي الفردية وEMF. نقترح الفرضية التالية: (1) يمكن أن تؤدي تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية المشتركة إلى تحسين وفرة الميكروبات الوظيفية في التربة وEMF بشكل أفضل من تطبيقها بشكل فردي؛ (2) قد تكون التغيرات في وفرة الميكروبات الوظيفية الخاصة في التربة مؤشرات قوية لـ EMF، ويمكن أن تكون العلاقة منظمة بواسطة تأثيرات التسميد على بعض خصائص التربة. توفر هذه الدراسة رؤى جديدة حول تأثيرات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية، وخاصة تطبيقها المشترك، على الميكروبيومات الوظيفية في التربة ووظائف الأنظمة الزراعية المتعددة، وتظهر أهمية العمليات الوظيفية المدفوعة بالميكروبات في التربة لاستقرار أو زيادة وظائف النظام البيئي والخدمات.

ابتداءً من عام 2013، تم إجراء تجربة توطين ميدانية في مدينة ليويانغ، مقاطعة هونان، الصين. المعدل المحلي لهطول الأمطار في هذا الموقع حوالي 1429 مم ومتوسط درجة الحرارة هو التربة التجريبية هي تربة طينية خفيفة من نوع الفلوي-المائي تشكلت من الرواسب الطينية. الخصائص الأساسية للتربة ( ) في البداية تظهر في الملف الإضافي 1: الجدول S3.

شملت التجربة خمسة علاجات: (1) بدون سماد، CK؛ (2) سماد غير عضوي، CF؛ (3) إدخال مختلط من السماد غير العضوي مع الفحم الحيوي، BF؛ (4) إدخال مختلط من السماد غير العضوي وروث الخنازير (استبدال من النيتروجين غير العضوي مع السماد)، OF؛ و(5) BOF، OF مختلط مع الفحم الحيوي. كل معالجة تتكون من ثلاثة قطع، كل منها في الحجم. تم إجراء التجربة في دورات من الذرة والملفوف. تم تقديم معدلات تطبيق الأسمدة وأنواع الأسمدة وطبيعتها المتجانسة في الملف الإضافي 1: الجدول S4. تم الحفاظ على نظام التسميد من بداية التجربة. تم تنظيف بقايا المحاصيل بعد الحصاد.

تم حصاد أكواز الذرة والقش بشكل منفصل يدويًا عند النضج في عام 2021. تم تجفيف حبوب الذرة تحت الشمس لمدة شهر، وضبط محتوى الرطوبة في الحبوب ليكون أقل من “، ثم تم وزنها لتحديد العائد. تم تجفيف أكواز الذرة وعينات القش في فرن عند إلى الوزن الجاف الثابت. الـ تم حساب تراكم (امتصاص) نباتات الذرة من خلال قياس الكتلة الحيوية لنباتات الذرة و المحتوى.
تم أخذ عينات من التربة باستخدام طريقة النقاط الخمس وطريقة الاهتزاز. تم حفر خمس كتل من التربة تحتوي على أنظمة جذرية سليمة من كل قطعة أرض وإعادتها إلى المختبر على الفور. تم هز كميات كبيرة من التربة التي لا تحتوي على جذور بلطف أولاً، ثم تمت إزالة التربة الملتصقة بمحاذاة الجذر باستخدام سكين لتستخدم كتربة أساسية. وتمت إزالة التربة الملتصقة بمحاذاة الجذر باستخدام فرشاة لتستخدم كتربة ريزوسفير. تم خلط خمس عينات من التربة من كل قطعة أرض في جزء واحد ثم تم تخزينها للتحليل اللاحق.

تم قياس درجة حموضة التربة بواسطة خليط من التربة والماء (1:2.5، وزن/حجم) باستخدام إلكترود مركب (PE-10؛ سارتوريوس، ألمانيا). التربة و تم قياس المحتويات باستخدام محلل تلقائي منفصل Smart Chem200 (Westco Scientific Instruments, Inc.، إيطاليا). تم تحديد محتوى النيتروجين القابل للهيدروlysis في التربة بواسطة طريقة الانتشار القلوي (باو 2000). تم قياس محتوى الكربون العضوي المذاب في التربة (DOC) بواسطة محلل TOC (ELEMENTER، ألمانيا). تم قياس محتوى النيتروجين المذاب الكلي في التربة (TDN) عبر أكسدة بيرسلفات البوتاسيوم – الطيف الضوئي فوق البنفسجي، وتم تحديد محتوى النيتروجين العضوي المذاب (DON) من خلال حساب الفرق بين TDN والنيتروجين غير العضوي. كما وصفه دويل وآخرون (2004). تم تحديد محتوى الفوسفور المتاح في التربة (AP) بواسطة مطياف الامتصاص الضوئي (باو 2000). تم قياس محتوى الفوسفور الذائب الكلي في التربة (TDP) عبر طريقة مطياف الامتصاص الضوئي باستخدام موليبدات الأمونيوم (غالاردو وماسيني 2000). تم قياس المحتوى بواسطة طريقة الفوسفور-موليبيدوم الأزرق (جارفي وآخرون 2002). الفوسفور العضوي المذاب في التربة
تم حساب محتوى (DOP) كـ TDP- تم تحديد البوتاسيوم الكلي والمتاح في التربة باستخدام مقياس اللهب الضوئي (باو 2000).

في هذه الدراسة، تم استخدام 18 متغيرًا كمؤشرات لوظائف النظام البيئي (الملف الإضافي 1: الجدول S3). كان ثمانية منها أنشطة إنزيمات التربة المرتبطة بـ ودورات العناصر البيوجيوكيميائية P، بما في ذلك -غلوكوزيداز (AG)، -غلوكوزيداز (BG)، -ديسيلوبيوزيداز (CBH)، أسيتيلغلوكوزامينيداز (NAG)، ليوسين أمينو ببتيداز (LAP)، فوسفاتاز قلوية (ALP)، فوسفاتاز حمضية (ACP). يمكن أن تعزز هذه الإنزيمات دورات الكربون والمغذيات من خلال تحفيز تحلل المادة العضوية وتحولات المغذيات (هو وآخرون 2021). تم تخصيص محتويات الكربون العضوي في التربة (SOC) والنيتروجين الكلي (TN) والفوسفور الكلي (TP) لتمثيل التربة. ، وتخزين الفوسفور، على التوالي (هو وآخرون 2021). تُستخدم محتويات الكتلة الحيوية الميكروبية من الكربون (MBC) والنيتروجين (MBN) والفوسفور (MBP) للإشارة إلى ، وتوافر الفوسفور الحيوي (Ren et al. 2023). تم تقديم تفاصيل القياس المحددة للمؤشرات المذكورة أعلاه في المواد التكميلية. تم استخدام امتصاص العناصر الغذائية من النباتات، والكتلة الحيوية، وعائد الحبوب لتمثيل اكتساب العناصر الغذائية من النباتات والإنتاجية (Zak et al. 2019).

تم تحويل المؤشرات الوظيفية الفردية باستخدام تحويل Z-score ثم تم حساب المتوسط للحصول على مؤشر EMF بناءً على طريقة المتوسط (Delgado-Baquerizo et al. 2016؛ Luo et al. 2018). بالإضافة إلى ذلك، تم تكييف طريقة العتبة المتعددة لحساب مؤشر EMF (Liu et al. 2019b). يمكن أن تكشف هذه الطريقة عن تأثيرات الأنواع الميكروبية الوظيفية الخاصة في التربة على EMF عبر مجموعة من العتبات من 0 إلى لتبني طريقة العتبة المتعددة، قمنا أولاً بتطبيع كل دالة، ثم تم تحويل كل دالة على حدة إلى نسبة من قيمتها القصوى (Liu et al. 2019b).

تم تنفيذ PCR الكمي عالي الإنتاجية بواسطة نظام PCR في الوقت الحقيقي (Wafergen، فريمونت، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية). تم تكييف مجموعة إجمالية من 64 مجموعة من البرايمرات لاستهداف الجينات المرتبطة بدورات الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت (الملف الإضافي 1: الجدول S1)، بما في ذلك تحلل الكربون، تثبيت الكربون، استقلاب الميثان، تثبيت النيتروجين، النترجة، إزالة النترات، اختزال النترات، الأناموكس، التمعدن النيتروجيني، غير العضوي. الذوبانية، عضوي- تعدين المعادن، ودورة الكبريت. تم توليد عملية الانصهار وتحليلها تلقائيًا بواسطة برنامج SmartChip qPCR. يتم تقديم الإجراءات المحددة لهذا التحليل في الأدبيات السابقة (Zheng et al. 2018; Wang et al. 2022).

تم تكييف تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وخريطة الحرارة في أداة البرمجيات R (الإصدار 4.0.5) لمقارنة التنوع بين العلاجات في وفرة الجينات الوظيفية للتربة أو تجمعات الميكروبات. تم الكشف عن العلاقات المتزامنة بين وظائف النظام البيئي الفردية ووفرة الجينات الوظيفية في التربة العامة وتربة الجذور من خلال هيكلة الشبكات البيئية. تم استكشاف العلاقات بين وفرة الميكروبات الوظيفية ومؤشر EMF من خلال تحليل الانحدار ونهج العتبة المتعددة.
تم فك رموز المؤشرات الرئيسية لمؤشر EMF من خلال تحليل الغابات العشوائية الذي اقترحه بريمان (2001). أضافت خوارزميات الغابات العشوائية طبقة إضافية من العشوائية إلى تقنية التجميع، واستخدمت كل شجرة عينة مختلفة من البيانات. تم استخدام حزم “randomForest” و “rfPermute” لتنفيذ وتقدير أهمية مقاييس الأهمية لنموذج الغابات العشوائية من خلال تبديل المتغير الاستجابي. تم تقديم تفاصيل حول عملية التحليل في منشورات سابقة (Luo et al. 2019, 2020). تم تطوير نموذج المعادلات الهيكلية من خلال تحليل خصائص التربة وكثافات الميكروبات الوظيفية لتحديد المحركات الرئيسية والمسارات لمؤشر EMF. تم وضع نموذج أولي للارتباطات المحتملة المعروفة بين EMF و
تم تطوير السائقين المذكورين أعلاه على أساس استخراج البيانات باستخدام تحليل الغابة العشوائية. تم استخدام برنامج AMOS (SPSS AMOS 20.0.0) لبناء وتقييم النموذج. تم استخدام المقاييس التالية لتقييم جودة ملاءمة نموذجنا: جذر متوسط مربع خطأ الاقتراب (RMSEA)، قيمة كاي تربيع، إحصائية فيشر P، ومعيار معلومات أكايك (AIC). في النهاية، تم تحسين النموذج الأولي للحصول على النموذج الذي يلبي شرط جودة الملاءمة، وتم التحقق من دلالة المسار بشكل إضافي.

مقارنةً مع CK، أظهرت علاجات التخصيب مؤشر EMF أعلى و 11 وظيفة بيئية فردية. ; الشكل 1). مقارنةً بـ CF، زادت معالجات BF و OF و BOF بشكل ملحوظ من نشاط إنزيمات التربة (BG و CBH و BX و AG و ACP و ALP) ومحتوى الكربون والنيتروجين في التربة (TN و SOC) ومحتوى MBP وامتصاص النيتروجين والفوسفور بواسطة النباتات، والإنتاجية، وكتلة النبات، وأظهرت BOF أعلى زيادة في هذه المؤشرات الوظيفية. زادت BF و OF و BOF بشكل كبير من مؤشر EMF

بواسطة ، و على التوالي، مقارنةً بـ CF.

كان هناك فرق كبير في وفرة الميكروبات الوظيفية (ADONIS: ; ANOSIM: ; أ) و C-N-P-S مجموعات ميكروبية وظيفية (ANOSIM: ، “; الشكل 2B-E) بين العلاجات المختلفة. كان هناك أيضًا فرق كبير في وفرة الميكروبات لدورة C-N-P-S بين التربة العامة وتربة الجذور، وأظهر مكان التربة تأثيرًا أكبر على وفرة الميكروبات من العلاجات ( ; الشكل 2A). أظهرت وفرة كل جين وظيفي استجابة مميزة لعلاجات التسميد (الشكل 2F و G). زادت المدخلات الفردية أو المجمعة من الفحم الحيوي والأسمدة العضوية من وفرة المجموعات الميكروبية الوظيفية بدرجات متفاوتة، حيث كان لتربة منطقة الجذور تأثير أكبر على الوفرة مقارنة بتربة الكتلة (الشكل 3). بالمقارنة مع CF، زادت الوفرة الميكروبية المتعلقة بتعدين الكربون في BF و OF و BOF في تربة الكتلة ومنطقة الجذور بنسبة و ؛ زادت وفرة الميكروبات المرتبطة بتثبيت الكربون في OF و BOF في كلا التربتين بـ و ; وزادت وفرة الميكروبات المرتبطة بتمثيل الميثان في BF و OF و BOF في كلا التربتين بـ و على التوالي (الشكل 3A-C).

زادت وفرة الميكروبات المتعلقة بـ (أ) تثبيت النيتروجين في التربة السطحية والتربة المحيطة بالجذور بنسبة 18.5-26.5% و57.3-121.3%، (ب) النترجة بنسبة 85.6-125.5% و50.3-50.5%، (ج) اختزال النترات بنسبة 49.7-171.5% و36.9 ، (د) زادت الأنموكس بـ و 14.6-97.4%، (هـ) زادت معدنية النيتروجين بنسبة 99.9 و ، (و) زادت عملية نزع النيتروجين بـ و ، على التوالي، مقارنةً بـ CF (الشكل 3D-I). مقارنةً بـ CF، زادت وفرة الميكروبات المرتبطة بتحلل الفوسفات في BF و OF و BOF في التربة السائبة وتربة الجذور بـ و ، والأمور المتعلقة بـ

زيادة ما بعد التمعدن في BF و OF و BOF في التربتين و ، على التوالي ( “; الشكل 3J و K). زادت وفرة الميكروبات المتعلقة بدورة الكبريت في التربة السائبة وتربة الجذور (OF و BOF) بنسبة 16.5-84.4% و ، على التوالي ( ; الشكل 3J-L).

تم تجميع ملفات تعريف وظائف النظام البيئي والسكان الميكروبيين الوظيفيين في التربة في علاجات مختلفة بناءً على تحليل بروكرستس، وفي الوقت نفسه، وُجد أن ملف تعريف وظائف النظام البيئي مرتبط بتلك الخاصة بكثافات الميكروبات الوظيفية في التربة. ; الشكل 4A). أكدت اختبار مانتل أن وظائف النظام البيئي كانت مرتبطة بشكل كبير بكميات الميكروبات الوظيفية في التربة ( ; ). أظهرت اختلافات ملفات وظائف النظام البيئي علاقة ملحوظة مع ملفات الوظائف الميكروبية للتربة ( ; الشكل 4B).

أظهرت الشبكات المتزامنة لكثافات الجينات الوظيفية ومؤشرات الوظائف البيئية ارتباطات متعددة، dominated by positive edges (الشكل 4C). أظهرت مؤشرات الوظائف لأنشطة BG وACP وALP، وامتصاص النبات للنيتروجين وامتصاص النبات للفوسفور، ارتباطات عالية مع ملاحظات أخرى. في الوقت نفسه، أظهرت كثافات pqq-mdh وmcrA وkorA وnirK2 وamoa2 في التربة الكلية ارتباطات عالية مع ملاحظات أخرى، بينما أظهرت كثافات جينات ppx وnapA وnasA وglx وnirK2 في تربة الجذور ارتباطات عالية مع ملاحظات أخرى (الشكل 4C). أظهر تحليل خريطة الحرارة أن EMF وبعض الوظائف البيئية الفردية، وخاصة العائد والكتلة الحيوية وامتصاص المغذيات، أظهرت ارتباطات كبيرة مع كثافات معظم المجموعات الميكروبية الوظيفية التي درسناها في التربة الكلية وتربة الجذور (الشكل 4D).

أظهر EMF علاقات مهمة مع وفرة الميكروبات الوظيفية المتعلقة بالكربون (تحلل الكربون، تثبيت الكربون، واستقلاب الميثان)، والنيتروجين (النيترة، إزالة النترات، اختزال النترات، والأنيماكس)، والفوسفور.

(تحلل الفوسفور القابل للذوبان وتحلل الفوسفور المعدني)، ودورة الكبريت في التربة السطحية وتربة الجذور ( ; الشكل 5). كانت وفرة الأنواع الميكروبية المرتبطة بتفكك الكربون، النترجة، ودورة الكبريت في التربة الكلية من أهم المؤشرات على EMF ( “; الملف الإضافي 1: الشكل S1A). أظهرت طريقة العتبة المتعددة أن وفرة الأنواع الميكروبية المتعلقة بتفكك الكربون، النترجة، و كانت دورة الكائنات الحية الدقيقة في التربة السائبة مرتبطة بشكل إيجابي مع EMF (الشكل 6A-C). كما يتضح من الانحدارات بين وفرة الكائنات الحية الدقيقة المتعلقة بتدهور الكربون، والنيترة، ودورة الكبريت وEMF عند كل عتبة، كانت العتبة الدنيا (Tmin) هي
، و ، وعَتَبة التأثير الأقصى (Tmde) كانت ، و ، على التوالي (الشكل 6A عند رسم خرائط المنحدرات لعدة انحدارات مع فترة الثقة (الشكل 6D-F)، كانت العتبة القصوى (Tmax) لا نهائية. التأثير الأقصى المحقق (Rmde) لوفرة الميكروبات الوظيفية المرتبطة بتدهور الكربون، النترجة، ودورة الكبريت كان ، و 15.84 ، على التوالي. أظهرت النتائج أنه في التربة الكتلية، كانت وفرة الأنواع الميكروبية المرتبطة بتدهور الكربون، النترجة، ودورة الكبريت بحاجة إلى الزيادة بمقدار لا يقل عن

نسخ التربة، على التوالي، لتحسين وظيفة واحدة من النظام البيئي.
كانت وفرة الأنواع الميكروبية المرتبطة بتفكك الكربون، وتقليل النترات، وتحرير الفوسفور في تربة الجذور من المتنبئات المهمة للـ EMF. ; الملف الإضافي 1: الشكل S1B). أظهرت طريقة العتبة المتعددة أن وفرة الأنواع المتعلقة بتفكك الكربون، وتقليل النترات، وتعدين الفوسفات في تربة منطقة الجذور كانت مرتبطة إيجابيًا مع EMF (الشكل 6G-I). كما هو موضح بواسطة
العلاقات الانحدارية بين وفرة الميكروبات المتعلقة بتفكك الكربون، وتقليل النترات، وتعدين الفوسفات العضوي وEMF عند كل عتبة، كانت Tmin هي ، و ، وكان الوقت , ، و ، على التوالي (الشكل 6G-I). كان التأثير الأقصى المحقق لوفرة الميكروبات المرتبطة بتدهور الكربون، وتقليل النترات، وتعدين الفوسفات هو ، و 16.03 ، على التوالي (الشكل 6J-L). أظهرت النتائج أنه في تربة الجذور، كانت وفرة الأنواع الميكروبية المرتبطة بتفكك الكربون، وتقليل النترات، وتحرير الفوسفات المعدني

يجب أن تزيد بمقدار لا يقل عن نسخ التربة، على التوالي، لتحسين وظيفة واحدة من النظام البيئي.

في التربة الكتلية، الرقم الهيدروجيني، المتاح كانت نسبة المحتوى وكمية DON هي المؤشرات الرئيسية لوفرة المجموعات الميكروبية المتعلقة بتفكك الكربون، النترجة، ودورة الكبريت، تليها محتويات AP والنيتروجين غير العضوي. ; الملف الإضافي 1: الشكل S2A-C). في تربة الجذور، الرقم الهيدروجيني، المتاح كانت النسبة ودرجة الحموضة هي المؤشرات الرئيسية لوفرة الأنواع الميكروبية المرتبطة بتفكك الكربون، وتقليل النترات، وتحرير الفوسفور المعدني، تليها محتويات الفوسفات القابل للذوبان والنيتروجين غير العضوي. ; الملف الإضافي 1: الشكل S2D-F).
أظهرت وفرة الأنواع الميكروبية في التربة المرتبطة بتدهور الكربون أكبر تأثير مباشر على الفطريات الميكورية، تليها توافر التربة. نسبة ووفرة الميكروبات المتعلقة بالنترجة وتقليل النترات ; الشكل 7). أظهرت وفرة الكائنات الدقيقة المعنية بدورة الكبريت في التربة الكلية وتلك المرتبطة بتعدين الفوسفات تأثيرات مباشرة على EMF. درجة حموضة التربة، المتاحة نسبة ، وكانت محتويات النيتروجين غير العضوي تؤثر بشكل غير مباشر على القوة الدافعة الكهربائية عن طريق التوسط في وفرة الأنواع الميكروبية المرتبطة بتدهور الكربون، النترجة،

الدورة الكربونية، تقليل النترات، وتحرير الفوسفور. أظهرت درجة حموضة التربة ووفرة الميكروبات المسببة لتحلل الكربون أكبر تأثيرات إيجابية كلية على EMF، تليها توافر الفوسفات في التربة ووفرة الميكروبات المسببة لتقليل النترات. التربة أظهر نسبة وفرة الميكروبات النيتريفة تأثيرًا سلبيًا إجماليًا على EMF (الشكل 7).

على غرار الدراسات السابقة (Biederman وHarpole. 2013؛ Luo et al. 2018)، فإن تعديلات البيوكربون والأسمدة العضوية تزيد بشكل كبير من معظم وظائف النظام البيئي الفردية مثل إنتاجية المحاصيل، وتخزين العناصر الغذائية في التربة، وأنشطة إنزيمات التربة (الشكل 1). يمكن أن تحسن مدخلات البيوكربون من توفر العناصر الغذائية في التربة من خلال تنظيم الأنشطة والتمثيلات الميكروبية في التربة، ثم تحفيز نمو النباتات، وتغيير هيكل الجذور، وزيادة عملية التمثيل الضوئي (Backer et al. 2018؛ Liu et al. 2022b)، مما يحسن من امتصاص العناصر الغذائية من قبل النباتات، والكتلة الحيوية، والمحصول (الشكل 1). للأسمدة العضوية تأثير إيجابي على نمو النباتات من خلال تحسين حالة العناصر الغذائية في التربة والظروف الفيزيائية (Zhang et al. 2021). بالإضافة إلى ذلك، فإن احتياطيات الكربون والنيتروجين والفوسفور في التربة لها أيضًا تأثيرات إيجابية كبيرة على امتصاص العناصر الغذائية من قبل النباتات ومحصول المحاصيل (Waqas et al. 2020). الكربون العضوي من الأسمدة العضوية وC وN و

تعتبر موارد الفوسفور من البيوكربون عوامل رئيسية في زيادة مخزونات الكربون والعناصر الغذائية في التربة (الشكل 1؛ وقاص وآخرون 2020؛ إبراهيم وآخرون 2021). يمكن أن تقلل مدخلات البيوكربون والأسمدة العضوية أيضًا من فقدان العناصر الغذائية من خلال امتصاص العناصر الغذائية من التربة وتحسين قدرة احتفاظ التربة بالمياه، مما يعزز امتصاص العناصر الغذائية من قبل النباتات (الشكل 1؛ زانغ وآخرون 2021؛ يان وآخرون 2023). في الوقت نفسه، يمكن أن يبطئ البيوكربون من تحلل الأسمدة العضوية، ويجمع بين المادتين.
تأثير ترويجي أكبر على الحفاظ على توازن إمدادات المغذيات في التربة ومتطلبات المغذيات للنبات (كاترر وآخرون 2019). ومع ذلك، لا يمكن فصل تحلل المادة العضوية وتحولات المغذيات في التربة عن تنظيم إنزيمات التربة خارج الخلوية (دوتانيا وآخرون 2019).
كعلامات على وظائف النظام البيئي، تشارك أنشطة إنزيمات التربة في عمليات وظيفية متعددة في التربة (وانغ وآخرون 2021). الفحم الحيوي والأسمدة العضوية
يمكن أن تعزز التعديلات أنشطة إنزيمات التربة المرتبطة بدورات الكربون والمواد الغذائية (الشكل 1). يمكن أن يعزز الفحم الحيوي والأسمدة العضوية تخزين الكربون في التربة وتوافره الحيوي، مما يحفز نمو الميكروبات وتخليق الإنزيمات المرتبطة بتفكك الكربون (دومينشين وآخرون 2021؛ زو وآخرون 2020). وهذا ما تؤكده نتائجنا أيضًا (الشكل 1). يمكن أن يزيد الفحم الحيوي والمواد العضوية من درجة حموضة التربة ويحسن من تكيف بعض إنزيمات التربة مثل العضوية. الهدرولازات (Neina et al. 2019). بالإضافة إلى ذلك، فإن التعديلات العضوية تزيد أيضًا من نشاط الفوسفاتاز من خلال تنظيم تجمعات التربة (Hu et al. 2023). إن زيادة نشاط الفوسفاتاز تحسن من اكتساب المغذيات بواسطة الميكروبات، مما يزيد من محتوى MBP في التربة (الشكل 1؛ Azeem et al. 2019). تشير هذه النتائج إلى أن أنواع الميكروبات الوظيفية الخاصة في التربة تلعب دورًا في تحسين الكربون في التربة واستخراج المغذيات من خلال التحكم في الكتلة الحيوية وتخليق الإنزيمات، مما يؤثر بشكل إيجابي على وظائف النظام البيئي (Li et al. 2023). في النهاية، كان لهذه الوظائف المعززة للنظام البيئي من خلال تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية تأثير إيجابي كبير على EMF (الشكل 1)، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالميكروبات الوظيفية الخاصة في التربة (Luo et al. 2018؛ Han et al. 2022؛ Ren et al. 2023).

كشفت بياناتنا عن الزيادات الكبيرة في وفرة الميكروبات التربة المرتبطة بتفكك الكربون بواسطة تعديلات البيوكربون والأسمدة العضوية (الشكل 3A). هذه النتيجة تتماشى مع الأبحاث السابقة (Guo et al. 2019; Li et al. 2020). الأنواع الميكروبية المرتبطة بتفكك الكربون مثل Chloromyces وAcidobacterium في الأراضي الزراعية وفيرة وتحتوي على مجموعة واسعة من الجينات المسؤولة عن تفكيك السليلوز والهيميسليلوز والبوليسكاريد (Ibrahim et al. 2021). يمكن أن توفر الأسمدة العضوية والبيوكربون مصادر كربون وفيرة لتحفيز تفكك المادة العضوية في التربة بواسطة الميكروبات التربة (Zhou et al. 2020; Ibrahim et al. 2021). تثبيت يمكن أن تؤدي الكائنات الدقيقة الذاتية التغذية في التربة إلى إبطاء زيادة في الغلاف الجوي وتقليل تأثير الاحتباس الحراري (غاو وآخرون 2023). تحسين درجة حموضة التربة بواسطة الفحم الحيوي والأسمدة العضوية هو عامل رئيسي في زيادة وفرة -المثبتات الذاتية (هوانغ وآخرون 2018). بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن توفر العناصر الغذائية الغنية التي يوفرها الفحم الحيوي والأسمدة العضوية موائل دقيقة مناسبة للميكروبات الذاتية، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في ميكروبات تثبيت الكربون (الشكل 3B؛ وانغ وآخرون 2021). يمكن أن تزيد التعديلات العضوية مثل الفحم الحيوي والأسمدة العضوية بشكل كبير من وفرة الميكروبات المرتبطة بتمثيل الميثان (الشكل 3C). إن المسامية العالية والتهوية للفحم الحيوي تعزز من نمو الميثانوتروفات (تشاو وآخرون 2022a). التعديلات العضوية
يمكن أن يعزز أيضًا تكتل التربة، ويزيد من مسامية التربة، ويقدم المزيد من المواد الفعالة للميثانوتروفات (جونغ وآخرون 2022). وبالتالي، فإن التطبيق المشترك للبيوچار والأسمدة العضوية هو ممارسة إدارة واعدة تعزز احتجاز الكربون في التربة وتقلل من خطر انبعاثات الميثان في النظم البيئية الزراعية.

تحلل النيتروجين هو عملية رئيسية تنظم توفر النيتروجين في التربة وتؤثر على امتصاص النيتروجين بواسطة النباتات (ليو وآخرون 2017). أظهرت بياناتنا زيادة في ميكروبات تحلل النيتروجين في التربة التي تحتوي على مدخلات من الفحم الحيوي والأسمدة العضوية (الشكل 3H)، وهو ما يتماشى مع الدراسات السابقة (تشانغ وآخرون 2015). يعتبر النيتروجين العضوي مثل الأحماض الأمينية والسكر الأميني المقدم من الأسمدة العضوية من المصادر المهمة لتحلل النيتروجين الميكروبي في التربة، وزيادة معدلها مرتبطة بشكل رئيسي بزيادة النيتروجين الكلي في التربة والكربون العضوي (تشانغ وآخرون 2015). في هذه الدراسة، يمكن أن تعزز تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية أيضًا بشكل كبير وفرة مجموعات الميكروبات المسؤولة عن تثبيت النيتروجين والنترجة (الشكل 3D وE). دمج المواد العضوية ذات المحتوى العالي من يمكن أن يؤدي نسبة إلى التربة إلى زيادة تثبيت النيتروجين في التربة (Zhang et al. 2015). كما أن زيادة تثبيت النيتروجين البيولوجي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بزيادة إنتاج الفوسفاتاز بواسطة التعديلات العضوية (Sun et al. 2015; Hu et al. 2023). قد تقلل نترجة التربة من فقدان الأمونيا بالتبخر بينما تؤدي إلى تسرب النترات و انبعاث (Li et al. 2018). وجد Zhao et al. (2022b) أن الفحم الحيوي يمكن أن يعزز النترجة في التربة الحمضية، وهو ما يرتبط بوفرة جين amoA. تعتبر تقليل النترات، وإزالة النترات، والأناموكس مسارات مهمة لفقدان وتحولات النيتروجين في التربة (Giles et al. 2012). يمكن أن تعزز إضافات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية بشكل كبير مجموعات الميكروبات في التربة المرتبطة بتقليل النترات، وإزالة النترات، والأناموكس (الشكل 3F وG وI). يمكن أن يوفر الفحم الحيوي والأسمدة العضوية مركبات كربونية نشطة وفيرة للميكروبات المزالة للنترات والمرتبطة بتقليل النترات. إن زيادة النشاط والتمثيل الغذائي لهذه الأنواع الميكروبية الوظيفية تؤدي إلى تحفيز تحولات النيتروجين. الانبعاثات (لازكانو وآخرون 2021؛ كاو وآخرون 2019). كما أكدت نتائجنا تنظيم التربة المحتوى حول وفرة الأنواع الميكروبية المخصصة لإزالة النيتروجين وتقليل النترات (الملف الإضافي 1: الشكل S2). وبالتالي، يمكن أن تنظم إضافات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية تحولات النيتروجين في التربة من خلال العمل الميكروبي.

يمكن أن تسهم مدخلات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية بشكل كبير في إثراء الأنواع الميكروبية في التربة المتعلقة بتعدين الفوسفور المعدني (Po) وحل الفوسفور غير العضوي (Pi) (الشكل 3J و K). تلعب العمليتان الوظيفيتان دورًا حيويًا في تعدين الفوسفور المتاح في التربة وامتصاص الفوسفور بواسطة النباتات (ألوري وآخرون 2017). يمكن أن تحفز مصادر الكربون العضوي الوفيرة في الفحم الحيوي والسماد على تكاثر ميكروبات تعدين الفوسفور في التربة وإفراز الأحماض العضوية والفوسفاتاز (تشانغ وآخرون 2022؛ هو وآخرون 2023). الأنواع الميكروبية التي تذوب الفوسفور غير العضوي هي
مرتبط ارتباطًا وثيقًا بـ pH التربة، وقد يكون زيادة pH التربة من خلال تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية أحد الأسباب وراء إثراء ميكروبات تحلل الفوسفور (Po-mineralization) وذوبان الفوسفور (Pisolubilization) (الملف الإضافي 1: الشكل S2؛ زينغ وآخرون 2019). معظم في التربة يوجد في شكل عضوي مثل الكبريتات، التي تحتاج إلى أن يتم تمعدنها بواسطة الكائنات الدقيقة لكي يتم امتصاصها واستخدامها من قبل النباتات (Saha et al. 2018). تعتبر عملية اختزال الكبريت وأكسدته في الكائنات الدقيقة خطوات رئيسية في دورة الكبريت البيوجيوكيميائية (Anantharaman et al. 2018). زادت إضافات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية بشكل كبير من ميكروبات دورة الكبريت (الشكل 3L). يرتبط تمعدن الكبريت في التربة بمحتوى الأكسجين في التربة (Zhou et al. 2005). قد يكون تحسين تهوية التربة بواسطة الإضافات العضوية أحد الأسباب التي تؤثر على ميكروبات دورة الكبريت (Xiao et al. 2018). تسلط هذه النتائج الضوء على التنظيم الإيجابي لتطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية على وظائف وخدمات النظام البيئي من خلال التأثير على الميكروبات الوظيفية المتعلقة بدورات الكربون والنيتروجين والكبريت والفوسفور.

ترتبط مجموعة متنوعة من الإنزيمات المشفرة بواسطة جينات وظيفية بدورات الكربون والعناصر الغذائية في التربة. وبالتالي، فإن التغيرات في وفرة الميكروبات الوظيفية لها تأثير كبير على EMF (وانغ وآخرون 2022). تتماشى نتائجنا مع الدراسات السابقة (لو وآخرون 2019؛ وانغ وآخرون 2022)، حيث أظهرت العلاقة الخطية بين EMF ووفرة معظم تجمعات الميكروبات التربة المتعلقة بدورات C-N-P-S (الشكل 4). قد تكون هذه النتيجة مرتبطة بوجود تكرار عالٍ لمجتمعات الميكروبات في التربة للوظائف العامة (لي وآخرون 2021). تضمن الميكروبات الأكثر وفرة مزيدًا من التفاعلات بينها لدفع EMF، مما يحسن استقرار النظام البيئي (تشين وآخرون 2022). بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يفسر آلية تكامل النطاقات متعددة الوظائف والاختلافات الوظيفية بين الأنواع أيضًا العلاقة الإيجابية بين EMF ووفرة الميكروبات الوظيفية في التربة (لو وآخرون 2018). أثبتت كل من طريقة المتوسط وطريقة العتبة المتعددة الروابط المهمة بين EMF ووفرة الميكروبات في التربة (الأشكال 5، 6). معظم الميكروبات في التربة هي كائنات غير ذاتية التغذية، وتعتبر تحلل المادة العضوية واحدة من أكثر الوظائف تكرارًا لمجتمعات الميكروبات في التربة (مارون وآخرون 2018). وبالتالي، فإن تحلل الكربون المدفوع بواسطة الميكروبات في التربة هو محرك مهم ينظم وظائف النظام البيئي.
يمكن أن يؤثر الرقم الهيدروجيني للتربة والمواد الغذائية المتاحة بشكل مباشر على القوة الدافعة الكهربائية أو بشكل غير مباشر من خلال تنظيم الميكروبات الوظيفية الخاصة بالتربة (الشكل 7؛ ليو وآخرون 2018؛ لي وآخرون 2023). زيادة غير مستقرة والمغذيات المتاحة مثل الفوسفات غير العضوي والنيتروجين غير العضوي من خلال الفحم الحيوي والأسمدة العضوية يمكن أن تعزز نمو واستقلاب التربة الخاصة.
الميكروبات، مما يحفزها على تحلل المواد العضوية عن طريق إفراز سلسلة من الإنزيمات (تشو وآخرون 2020؛ إبراهيم وآخرون 2021). يتم إطلاق العناصر الغذائية في عملية تحلل المواد العضوية بواسطة ميكروبات التربة وتستخدم مرة أخرى من قبل المجتمع فوق الأرض، مما يحسن من امتصاص النباتات للعناصر الغذائية والكتلة الحيوية (دلغادو-باكيريزو وآخرون 2016). بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي توفر الكربون العالي في التربة إلى استقطاب ميكروبات معينة مرتبطة بتحولات النيتروجين والفوسفور، مما يعزز بدوره العلاقات الإيجابية للفطريات الميكورية الخارجية مع دورات العناصر الغذائية في التربة (رين وآخرون 2023). تؤدي زيادة درجة حموضة التربة إلى تعطيل الربط بين المكونات العضوية والطين، مما يؤثر على الميكروبات التربوية، وبالتالي يؤثر بشكل إيجابي على دورات الكربون والعناصر الغذائية (لو وآخرون 2018؛ وان وآخرون 2020). على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي مدخلات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية إلى زيادة درجة حموضة التربة لتعزيز نمو الميكروبات الفوسفورية ونشاط الفوسفاتاز، ثم تقوية تحلل الفوسفور العضوي. يؤدي زيادة تحلل الفوسفور إلى تحسين توفر الفوسفور في التربة وتعزيز امتصاص المحاصيل للفوسفور وإنتاجيتها (تشنغ وآخرون 2019؛ هو وآخرون 2023). وبالتالي، يمكن أن تؤدي تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية إلى تحسين المواطن الحية لمجموعات الميكروبات الوظيفية الخاصة من خلال التأثير على درجة حموضة التربة والعناصر الغذائية المتاحة، مما ينظم بشكل إيجابي الفطريات الميكورية الخارجية. ومع ذلك، فإن مجموعة واسعة ومتنوعة من الوظائف والخدمات عبر فئات النظام البيئي المتعددة، مثل غازات الدفيئة، وخصائص النباتات الوظيفية، وما إلى ذلك، تحتاج أيضًا إلى التحقيق من أجل تقديم مقياس تمثيلي لوظيفة النظام البيئي بشكل عام (غارلاند وآخرون 2021). في الوقت نفسه، يتطلب التقييم الشامل للفطريات الميكورية الخارجية تحت تطبيقات التعديلات العضوية جهدًا إضافيًا في الكشف عن تأثيرات منطقة الجذور التي تنظم العلاقات بين المجتمعات فوق الأرض وتحت الأرض.

أظهرت هذه الدراسة أن تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية، سواء بشكل منفرد أو مجتمعة، يمكن أن تزيد بشكل كبير من معظم وظائف النظام البيئي الفردية مثل إنتاجية المحاصيل، وتخزين العناصر الغذائية في التربة، وأنشطة إنزيمات التربة، مما ساهم في زيادة EMF. يمكن أن تسهم مدخلات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية بشكل كبير في إثراء الأنواع الميكروبية في التربة المتعلقة بـ ، ودورات الكبريت بدرجات متفاوتة. أظهرت التطبيقات المشتركة للفحم الحيوي والأسمدة العضوية تأثيرًا إيجابيًا أكبر على وظائف النظام البيئي وكثافات الميكروبات الوظيفية في التربة مقارنةً بتطبيقاتها الفردية. كانت كثافات معظم هذه المجموعات الميكروبية مرتبطة بشكل إيجابي مع EMF ومعظم وظائف النظام البيئي الفردية. أظهرت المجموعات الميكروبية المتعلقة بتحلل الكربون، النترجة، اختزال النترات، التمعدن للمواد العضوية، ودورات الكبريت توقعات كبيرة وارتباطات مع EMF، والتي يتم تنظيمها بواسطة درجة حموضة التربة وتوافر المغذيات. تشير هذه النتائج إلى أن
يمكن أن تعزز تطبيقات الفحم الحيوي والأسمدة العضوية، وخاصة تطبيقها المشترك، تكاثر الميكروبات الوظيفية في التربة من خلال تنظيم خصائص التربة، مما يحسن بعد ذلك وظائف النظام البيئي وخدماته.

تحتوي النسخة الإلكترونية على مواد إضافية متاحة علىhttps://doi. org/10.1007/s42773-023-00296-w.

جينات المؤشرات الحيوية. الجدول S2. الدورات البيوجيوكيميائية، مجموعة الوظائف، الأسماء الكاملة، الاختصارات، والخدمات المدعومة من قبل 18 وظيفة من وظائف النظام البيئي. الجدول S3. الخصائص الأساسية للتربة ( ) في بداية تجربة الحقل. الجدول S4. معدلات تطبيق الأسمدة وأنواع الأسمدة لكل معالجة. الشكل S1. أهمية المتنبئ المتوسط في الغابة العشوائية (% زيادة في MSE) لوفرة السكان الميكروبيين الوظيفيين في التربة بالنسبة لتعدد وظائف النظام البيئي. الشكل S2. أهمية المتنبئ المتوسط في الغابة العشوائية (% زيادة في MSE) للخصائص الكيميائية للتربة بالنسبة لوفرة السكان الميكروبيين الوظيفيين. AP الفوسفور المتاح، DON النيتروجين العضوي المذاب، DOP الفوسفور العضوي المذاب، DOC الكربون العضوي المذاب.

تم دعم عملنا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (42107262) وبرنامج البحث والتطوير في المجالات الرئيسية في مقاطعة هونان (2023NK2028).

قام GL و XZ و YZ بتصميم ودعم الدراسة ماليًا؛ قام WH بتحليل البيانات وكتابة الورقة، وأجرى العمل التحليلي مع GL و JF؛ قام XR و JP بمراجعة المخطوطة. قرأ جميع المؤلفين ووافقوا على المخطوطة النهائية.

مؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (42107262) وبرنامج البحث والتطوير في المجالات الرئيسية في مقاطعة هونان (2023NK2028).

جميع البيانات التي تم توليدها أو تحليلها خلال هذه الدراسة مدرجة في هذه المقالة المنشورة (وملفاتها الإضافية).

يعلن المؤلفون أنهم ليس لديهم أي مصالح مالية متنافسة معروفة أو علاقات شخصية قد تبدو أنها تؤثر على العمل المبلغ عنه في هذه الورقة.

كلية الموارد، مختبر هوانان الإقليمي الرئيسي للسيطرة على تلوث الأراضي الزراعية واستخدام الموارد الزراعية، جامعة هوانان الزراعية، تشانغشا 410128، الصين. المختبر الوطني للهندسة للاستخدام الفعال لموارد التربة والأسمدة، تشانغشا 410128، الصين. معهد التربة والأسمدة، أكاديمية هنان للعلوم الزراعية، تشانغشا 410125، الصين.

تاريخ الاستلام: 28 أغسطس 2023 تاريخ المراجعة: 10 ديسمبر 2023 تاريخ القبول: 23
ديسمبر 2023
نُشر على الإنترنت: 08 يناير 2024

Aasfar A, Bargaz A, Yaakoubi K, Hilali A, Bennis I, Zeroual Y, Meftah Kadmiri I (2021) Nitrogen fixing Azotobacter species as potential soil biological enhancers for crop nutrition and yield stability. Front Microbiol 12:628379

Alori ET, Glick BR, Babalola OO (2017) Microbial phosphorus solubilization and its potential for use in sustainable agriculture. Front Microbiol 8:971
Anantharaman K, Hausmann B, Jungbluth SP, Kantor RS, Lavy A, Warren LA, Rappé MS, Pester M, Loy A, Thomas BC, Banfield JF (2018) Expanded diversity of microbial groups that shape the dissimilatory sulfur cycle. ISME J 12(7):1715-1728
Azeem M, Hayat R, Hussain Q, Tahir MI, Imran M, Abbas Z, Sajid M, Latif A, Irfan M (2019) Effects of biochar and NPK on soil microbial biomass and enzyme activity during 2 years of application in the arid region. Arab J Geosci 12:1-13
Backer R, Rokem JS, Ilangumaran G, Lamont J, Praslickova D, Ricci E, Subramanian S, Smith DL (2018) Plant growth-promoting rhizobacteria: context, mechanisms of action, and roadmap to commercialization of biostimulants for sustainable agriculture. Front Plant Sci 9:1473
Bai SH, Omidvar N, Gallart M, Kämper W, Tahmasbian I, Farrar MB, Singh K, Zhou G, Muqadass B, Xu CY, Koech R, Li Y, Nguyen TTN, van Zwieten L (2022) Combined effects of biochar and fertilizer applications on yield: a review and meta-analysis. Sci Total Environ 808:152073
Bao SD (2000) Soil and Agro-Chemistry Analysis, 3rd ed. China Agric. Press, Beijing
Basile-Doelsch I, Balesdent J, Pellerin S (2020) Reviews and syntheses: the mechanisms underlying carbon storage in soil. Biogeosciences 17(21):5223-5242
Biederman LA, Harpole WS (2013) Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling: a meta-analysis. GCB Bioenergy 5(2):202-214
Breiman L (2001) Random forest. Mach Learn 45:5-32
Brtnicky M, Dokulilova T, Holatko J, Pecina V, Kintl A, Latal O, Vyhnanek T, Prichystalova J, Datta R (2019) Long-term effects of biochar-based organic amendments on soil microbial parameters. Agronomy 9(11):747
Cao H, Ning L, Xun M, Feng F, Li P, Yue S, Song J, Zhang W, Yang H (2019) Biochar can increase nitrogen use efficiency of Malus hupehensis by modulating nitrate reduction of soil and root. Appl Soil Ecol 135:25-32
Chen W, Wang J, Chen X, Meng Z, Xu R, Duoji D, Zhang J, He J, Wang Z, Chen J, Liu K, Hu T, Zhang Y (2022) Soil microbial network complexity predicts ecosystem function along elevation gradients on the Tibetan Plateau. Soil Biol Biochem 172:108766
Dai Z, Yu M, Chen H, Zhao H, Huang Y, Su W, Xia F, Chang SX, Brookes PC, Dahlgren RA, Xu J (2020) Elevated temperature shifts soil N cycling from microbial immobilization to enhanced mineralization, nitrification and denitrification across global terrestrial ecosystems. Global Change Biol 26(9):5267-5276
Delgado-Baquerizo M, Maestre FT, Reich PB, Jeffries TC, Gaitan JJ, Encinar D, Gaitan JJ, Encinar D, Berdugo M, Campbell CD, Singh BK (2016) Microbial diversity drives multifunctionality in terrestrial ecosystems. Nat Commun 7(1):10541
Delgado-Baquerizo M, Reich PB, Trivedi C, Eldridge DJ, Abades S, Alfaro FD, Bastida F, Berhe AA, Cutler NA, Gallardo A, García-Velázquez L, Hart CC, Hayes PE, He JZ, Hseu ZY, Hu HW, Kirchmair M, Neuhauser S, Pérez CA, Reed SC, Santos F, Sullivan BW, Trivedi P, Wang JT, Weber-Grullon L, Williams MA, Singh BK (2020) Multiple elements of soil biodiversity drive ecosystem functions across biomes. Nat Ecol Evol 4:210-220
Dominchin MF, Verdenelli RA, Berger MG, Aoki A, Meriles JM (2021) Impact of N-fertilization and peanut shell biochar on soil microbial community structure and enzyme activities in a Typic Haplustoll under different management practices. Eur J Soil Biol 104:103298
Dotaniya ML, Aparna K, Dotaniya CK, Singh M, Regar KL (2019) Role of soil enzymes in sustainable crop production. In: Kuddus M (ed) Enzymes in food biotechnology. Academic Press, Cambridge, pp 569-589
Doyle A, Weintraub MN, Schimel JP (2004) Persulfate digestion and simultaneous colorimetric analysis of carbon and nitrogen in soil extracts. Soil Sci Soc Am J 68:669-676
Galhardo CX, Masini JC (2000) Spectrophotometric determination of phosphate and silicate by sequential injection using molybdenum blue chemistry. Anal Chim Acta 417:191-200
Gao Y, Liang A, Zhang Y, Huang D, McLaughlin N, Zhang Y, Wang Y, Chen X, Zhang (2023) Effect of tillage practices on soil emissions, microbial C-fixation, and C-degradation functional gene abundance in Northeast China. J Soil Sediment 23(1):446-458
Garland G, Banerjee S, Edlinger A, Miranda Oliveira E, Herzog C, Wittwer R, Philippot L, Maestre FT, van Der Heijden MG (2021) A closer look at
the functions behind ecosystem multifunctionality: a review. J Ecol 109(2):600-613
Giles M, Morley N, Baggs EM, Daniell TJ (2012) Soil nitrate reducing processesdrivers, mechanisms for spatial variation, and significance for nitrous oxide production. Front Microbiol 3:407
Gong H, Li J, Liu Z, Zhang Y, Hou R, Zhu O (2022) Mitigated greenhouse gas emissions in cropping systems by organic fertilizer and tillage management. Land 11(7):1026
Guo Z, Han J, Li J, Xu Y, Wang X (2019) Effects of long-term fertilization on soil organic carbon mineralization and microbial community structure. PLoS ONE 14(1):e0211163
Han Z, Xu P, Li Z, Lin H, Zhu C, Wang J, Zou J (2022) Microbial diversity and the abundance of keystone species drive the response of soil multifunctionality to organic substitution and biochar amendment in a tea plantation. GCB Bioenergy 14(4):481-495
Hossain ME, Shahrukh S, Hossain SA (2022) Chemical fertilizers and pesticides: impacts on soil degradation, groundwater, and human health in Bangladesh. Environmental degradation: challenges and strategies for mitigation. Springer International Publishing, Cham, pp 63-92
Hu W, Ran J, Dong L, Du Q, Ji M, Yao S, Sun Y, Gong C, Hou Q, Gong H, Chen R, Lu J, Xie S, Wang Z, Huang H, Li X, Xiong J, Xia R, Wei M, Zhao D, Zhang Y, Li J, Yang H, Wang X, Deng Y, Sun Y, Li H, Zhang L, Chu Q, Li X, Aqeel M, Manan A, Akram MA, Liu X, Li R, Li F, Hou C, Liu J, He JS, An L, Bardgett RD, Schmid B, Deng J (2021) Aridity-driven shift in biodiversity-soil multifunctionality relationships. Nat Commun 12(1):5350
Hu W, Zhang Y, Rong X, Fei J, Peng J, Luo G (2023) Coupling amendment of biochar and organic fertilizers increases maize yield and phosphorus uptake by regulating soil phosphatase activity and phosphorus-acquiring microbiota. Agr Ecosyst Environ 355:108582
Huang X, Wang C, Liu Q, Zhu Z, Lynn TM, Shen J, Whiteley AS, Kumaresan D, Tida GE, Wu J (2018) Abundance of microbial -fixing genes during the late rice season in a long-term management paddy field amended with straw and straw-derived biochar. Can J Soil Sci 98(2):306-316
Ibrahim MM, Zhang H, Guo L, Chen Y, Heiling M, Zhou B, Mao Y (2021) Biochar interaction with chemical fertilizer regulates soil organic carbon mineralization and the abundance of key C-cycling-related bacteria in rhizosphere soil. Eur J Soil Biol 106:103350
Jarvie HP, Withers PJA, Neal C (2002) Review of robust measurement of phosphorus in river water: sampling, storage, fractionation and sensitivity. Hydrol Earth Syst Sci 6:113-131
Jia R, Zhou J, Chu J, Shahbaz M, Yang Y, Jones DL, Zang H, Razavi BS, Zeng Z (2022) Insights into the associations between soil quality and ecosystem multifunctionality driven by fertilization management: a case study from the North China Plain. J Cleaner Prod 362:132265
Kätterer T, Roobroeck D, Andrén O, Kimutai G, Karltun E, Kirchmann H, Nybery G, Vanlauwe B, de Nowina KR (2019) Biochar addition persistently increased soil fertility and yields in maize-soybean rotations over 10 years in sub-humid regions of Kenya. Field Crop Res 235:18-26
Lazcano C, Zhu-Barker X, Decock C (2021) Effects of organic fertilizers on the soil microorganisms responsible for emissions: a review. Microorganisms 9(5):983
Li Y, Chapman SJ, Nicol GW, Yao H (2018) Nitrification and nitrifiers in acidic soils. Soil Biol Biochem 116:290-301
Li S, Wang S, Fan M, Wu Y, Shangguan Z (2020) Interactions between biochar and nitrogen impact soil carbon mineralization and the microbial community. Soil Tillage Res 196:104437
Li M, Guo J, Ren T, Luo G, Shen Q, Lu J, Guo S, Ling N (2021) Crop rotation history constrains soil biodiversity and multifunctionality relationships. Agr Ecosyst Environ 319:107550
Li QM, Zhang D, Zhang JZ, Zhou ZJ, Pan Y, Yang ZH, Zhu JH, Liu YH, Zhang LF (2023) Crop rotations increased soil ecosystem multifunctionality by improving keystone taxa and soil properties in potatoes. Front Microbiol 14:1034761
Liu Y, Wang C, He N, Wen X, Gao Y, Li S, Niu S, Butterbach-Bahl K, Luo Y, Yu G (2017) A global synthesis of the rate and temperature sensitivity of soil nitrogen mineralization: latitudinal patterns and mechanisms. Global Change Biol 23(1):455-464
Liu H, Yang X, Liang C, Li Y, Qiao L, Ai Z, Xue S, Liu G (2019a) Interactive effects of microplastics and glyphosate on the dynamics of soil dissolved organic matter in a Chinese loess soil. CATENA 182:104177

Liu T, Chen X, Gong X, Lubbers IM, Jiang Y, Feng W, Li X, Whalen JK, Bonkowski M, Griffiths BS, Hu F, Liu M (2019b) Earthworms coordinate soil biota to improve multiple ecosystem functions. Curr Biol 29(20):3420-3429
Liu H, Du X, Li Y, Han X, Li B, Zhang X, Li Q, Liang W (2022a) Organic substitutions improve soil quality and maize yield through increasing soil microbial diversity. J Cleaner Prod 347:131323
Liu M, Linna C, Ma S, Ma Q, Song W, Shen M, Song L, Cui K, Zhou Y, Wang L (2022b) Biochar combined with organic and inorganic fertilizers promoted the rapeseed nutrient uptake and improved the purple soil quality. Front Nutr 9:997151
Liu Q, Meki K, Zheng H, Yuan Y, Shao M, Luo X, Li X, Jiang Z, Li F, Xing B (2023) Biochar application in remediating salt-affected soil to achieve carbon neutrality and abate climate change. Biochar 5(1):45
Luo G, Rensing C, Chen H, Liu M, Wang M, Guo S, Ling N, Shen Q (2018) Deciphering the associations between soil microbial diversity and ecosystem multifunctionality driven by long-term fertilization management. Funct Ecol 32(4):1103-1116
Luo G, Wang T, Li K, Li L, Zhang J, Guo S, Ling N, Shen Q (2019) Historical nitrogen deposition and straw addition facilitate the resistance of soil multifunctionality to drying-wetting cycles. Appl Environ Microb 85(8):e02251-e2318
Luo G, Xue C, Jiang Q, Xiao Y, Zhang F, Guo S (2020) Soil carbon, nitrogen, and phosphorus cycling microbial populations and their resistance to global change depend on soil C:N: P stoichiometry. mSystems 5(3):e00162-20
Maron PA, Sarr A, Kaisermann A, Lévêque J, Mathieu O, Guigue J, Karimi B, Bernard L, Dequiedt S, Terrat S, Chabbi A, Ranjard L (2018) High microbial diversity promotes soil ecosystem functioning. Appl Environ Microb 84(9):e02738-e2817
Neina D (2019) The role of soil pH in plant nutrition and soil remediation. Appl Environ Soil Sci 2019:1-9
Ren T, Liao J, Jin L, Delgado-Baquerizo M, Ruan H (2023) Application of biogasslurry and biochar improves soil multifunctionality in a poplar plantation during afforestation processes. Plant Soil. https://doi.org/10.1007/ s11104-023-05968-x
Saha B, Saha S, Roy PD, Padhan D, Pati S, Hazra GC (2018) Microbial transformation of sulphur: an approach to combat the sulphur deficiencies in agricultural soils. In: Meena VS (ed) Role of rhizospheric microbes in soil: Volume 2: nutrient management and crop improvement. Springer, Berlin, pp 77-97
Saifullah DS, Naeem A, Rengel Z, Naidu R (2018) Biochar application for the remediation of salt-affected soils: challenges and opportunities. Sci Total Environ 625:320-335
Singh VK, Rai S, Singh D, Upadhyay RS (2021) Application of soil microorganisms for agricultural and environmental sustainability: a review. In: Dubey SK, Verma SK (eds) Plant, soil and microbes in tropical ecosystems. Springer, Berlin, pp 151-175
Sun R, Guo X, Wang D, Chu H (2015) Effects of long-term application of chemical and organic fertilizers on the abundance of microbial communities involved in the nitrogen cycle. Appl Soil Ecol 95:171-178
Wan W, Tan J, Wang Y, Qin Y, He H, Wu H, Zuo W, He D (2020) Responses of the rhizosphere bacterial community in acidic crop soil to pH : changes in diversity, composition, interaction, and function. Sci Total Environ 700:134418
Wang J, Xie J, Li L, Luo Z, Zhang R, Wang L, Jiang Y (2021) The impact of fertilizer amendments on soil autotrophic bacteria and carbon emissions in maize field on the semiarid Loess Plateau. Front Microb 12:664120
Wang T, Duan Y, Liu G, Shang X, Liu L, Zhang K, Li J, Zou Z, Zhu X, Fang W (2022) Tea plantation intercropping green manure enhances soil functional microbial abundance and multifunctionality resistance to dryingrewetting cycles. Sci Total Environ 810:151282
Wang X, Ge H, Fang Y, Liu C, Eltohamy KM, Wang Z, Liang X (2023) Biochar reduces colloidal phosphorus in leachate by regulating phoD- and phoC-harboring microbial communities during drying/rewetting cycles. Biochar 5(1):1-15
Waqas MA, Li Y, Smith P, Wang X, Ashraf MN, Noor MA, Amou M, Shi S, Zhu Y, Li J, Wan Y, Qin X, Gao Q, Liu S (2020) The influence of nutrient management on soil organic carbon storage, crop production, and yield stability varies under different climates. J Clean Prod 268:121922
Wu J, Sha C, Wang M, Ye C, Li P, Huang S (2021) Effect of organic fertilizer on soil bacteria in maize fields. Land 10(3):328

Xiao Y, Peng Y, Peng F, Zhang Y, Yu W, Sun M, Gao X (2018) Effects of concentrated application of soil conditioners on soil-air permeability and absorption of nitrogen by young peach trees. Soil Sci Plant Nutr 64(3):423-432
Yan B, Zhang Y, Wang Y, Rong X, Peng J, Fei J, Luo G (2023) Biochar amendments combined with organic fertilizer improve maize productivity and mitigate nutrient loss by regulating the stoichiometry of soil, microbiome, and enzymes. Chemosphere 324:138293
Yuan Z, Ali A, Ruiz-Benito P, Jucker T, Mori AS, Wang S, Zhang X, Li H, Hao Z, Wang X, Loreau M (2020) Above-and below-ground biodiversity jointly regulate temperate forest multifunctionality along a local-scale environmental gradient. J Ecol 108(5):2012-2024
Zabala JA, Martínez-Paz JM, Alcon F (2021) A comprehensive approach for agroecosystem services and disservices valuation. Sci Total Environ 768:144859
Zak D, Stutter M, Jensen HS, Egemose S, Carstensen MV, Audet J, Strand JA, Feuerbach P, Hoffmann CC, Christen B, Knudsen M, Stockan J, Watson H, Heckrath G, Kronvang B (2019) An assessment of the multifunctionality of integrated buffer zones in Northwestern Europe. J Environ Qual 48(2):362-375
Zhang Y, Wang F, Zhang J, Zhu T, Lin C, Müller C, Cai Z (2015) Cattle manure and straw have contrasting effects on organic nitrogen mineralization pathways in a subtropical paddy soil. Acta Agr Scand B-S P 65(7):619-628
Zhang Y, Yan J, Rong X, Han Y, Yang Z, Hou K, Zhao H, Hu W (2021) Responses of maize yield, nitrogen and phosphorus runoff losses and soil properties to biochar and organic fertilizer application in a light-loamy fluvo-aquic soil. Agr Ecosyst Environ 314:107433
Zhang YJ, Gao W, Luan HA, Tang JW, Li RN, Li MY, Zhang HZ, Huang SW (2022) Effects of a decade of organic fertilizer substitution on vegetable yield and soil phosphorus pools, phosphatase activities, and the microbial community in a greenhouse vegetable production system. J Integr Agr 21(7):2119-2133
Zhao Q, Wang Y, Xu Z, Yun J, Yu Z (2022a) Unravelling how biochar and dung amendments determine the functional structure and community assembly related to methane metabolisms in grassland soils. Biochar 4(1):49
Zhao Y, Wang X, Yao G, Lin Z, Xu L, Jiang Y, Jin Z, Shan S, Ping L (2022b) Advances in the effects of biochar on microbial ecological function in soil and crop quality. Sustainability 14:10411
Zheng B, Zhu Y, Sardans J, Peñuelas J, Su J (2018) QMEC: a tool for highthroughput quantitative assessment of microbial functional potential in C, N, P, and S biogeochemical cycling. Sci China Life Sci 61(12):1451-1462
Zheng B, Zhang D, Wang Y, Hao X, Wadaan MAM, Hozzein WN, Peñuelas J, Zhu Y, Yang X (2019) Responses to soil pH gradients of inorganic phosphate solubilizing bacteria community. Sci Rep 9(1):25
Zhou W, He P, Li S, Lin B (2005) Mineralization of organic sulfur in paddy soils under flooded conditions and its availability to plants. Geoderma 125(1-2):85-93
Zhou G, Gao S, Lu Y, Liao Y, Nie J, Cao W (2020) Co-incorporation of green manure and rice straw improves rice production, soil chemical, biochemical and microbiological properties in a typical paddy field in southern China. Soil Tillage Res 197:104499

3. Biochar and pig manure inputs notably enriched soil functional microbes related to C-N-P-S cycles to varying degree.
4. Increase in EMF was related to microbe-driven soil processes such as C degradation, nitrification, and Po mineralization.
5. Inclusion of biochar in crop production with organic amendments could enhance agro-ecosystem functions and services.

Keywords Biochar, Organic fertilizer, Functional microbiome, Ecosystem functions, Multifunctionality

In agricultural production, fertilization, as a major farmland management measure, can alter the nutrient requirements of soil microorganisms and crops as well as affect microbe-mediated soil biochemical reactions and ecosystem functions (Jia et al. 2022). However, long-term over-application of mineral fertilizers can lead to environmental pollution and soil degradation, which further influences the health and processes of entire agroecosystems (Hossain et al. 2022). Organic fertilizers can provide rich organic matter and
available nutrients to promote soil microbial activities and metabolisms, and then maintain or promote ecosystem services (Han et al. 2022; Wu et al. 2021). In addition to organic fertilizers, biochar has been widely used as a soil conditioner or organic material in crop production and soil improvement in recent years. Rich pore structure, nutrients, and carbon (C) of biochar can improve soil structure and nutrient supply and increase soil C storage (Liu et al. 2023; Bai et al. 2022). Thus, soil fertility and crop productivity gains may be greater with the mixing of biochar with organic fertilizer than
with single applications (Brtnicky et al. 2019; Bai et al. 2022; Liu et al. 2022a; Yan et al. 2023). However, current studies on the effects of their coupling application on the multiple functions (termed “multifunctionality”) of agroecosystems are insufficient.
The services or functions provided by agroecosystems are closely related to the diversity and function of microbial communities in soil (Zabala et al. 2021). Soil microorganisms participate in various functional processes such as nutrient cycling, disease suppression, primary production, and thus special microbial taxa in the soil play a vital role in EMF (Singh et al. 2021; Han et al. 2022). For example, the microbial taxa related to C cycle can drive organic matter degradation and affect soil C storage, thereby regulating ecosystem C balance (Basile-Doelsch et al. 2020). Nitrogen-fixing bacteria can fix nitrogen (N) from atmosphere to ammonia for plant absorption (Aasfar et al. 2021). Some functional taxa also affect ecosystem N cycle by triggering the processes of soil nitrification and denitrification (Dai et al. 2020). Phosphorus soluble microbes can promote insoluble P dissolution and then increase P availability in soil (Wang et al. 2023). Organic sulphur (S) mineralization can provide more S sources for soil microorganisms and plants; and meanwhile, S cycle affects C and N cycles in the soil (Saha et al. 2018). In addition, soil microorganisms can also use enzymes to degrade various derivatives in organic conditioners to meet their own metabolic activities, thereby improving soil material circulation (Saifullah et al. 2018). Although soil microbes can affect multiple functions of agroecosystems, there are few studies on the responses of key functional microbial taxa associated with C-N-P-S cycling processes on the co-applications of biochar and organic fertilizer. This limits our ability to further understand the roles of biochar couping with organic fertilizer in regulating the EMF from the perspective of functional microbiome control.
Changes in management practices such as land use and fertilization may alter the ability of soil microorganisms to maintain the multiple-functions of above- and belowground ecosystems (Delgado-Baquerizo et al. 2016). Any loss of soil biodiversity may have a negative impact on ecosystem functioning (Delgado-Baquerizo et al. 2020). Therefore, the status of special functional microbial populations in soil can influence EMF and its stability (Luo et al. 2018, 2019). Soil enzyme activity, organic matter and nutrient content, plant nutrient uptake and productivity, and microbial biomass are broadly applied as the indicators for evaluating ecosystem functions and services (Delgado-Baquerizo et al. 2016; Luo et al. 2018; Zak et al. 2019). Functional microorganisms can influence various soil biochemical processes, and various microbial processes occurring in soil can directly or indirectly
regulate above-ground biomes (Singh et al. 2021). Thus, assessing how different ecosystem functions show synergies or trade-offs is important for understanding EMF implementation (Yuan et al. 2020). The index of EMF mainly be quantified through mean value method and multi-threshold method, both of which are used together to better assess the effects of soil biodiversity on the EMF (Li et al. 2020; Liu et al. 2019b). Thus, multi-faceted assessment can effectively clarify how the amendments of biochar and organic fertilizer regulate ecosystem functions and their relationships with special functional microbes.

The main objective of this research was to explore the impacts of biochar and organic fertilizer applications on soil functional microbiomes and their relationships with ecosystem functions by setting up a database of a longterm field-based experiment. We investigated the regulations of biochar and organic fertilizer applications on the abundances of C-N-P-S acquiring functional genes in soil via high-throughput q-PCR (Additional file 1: Table S1). We selected 18 ecosystem functions (including soil enzyme activities, soil nutrients, soil microbial biomass, and crop productivity) to explore the effects of biochar and organic fertilizer applications on ecosystem-single functions and EMF (Additional file 1: Table S2). Multiple ecological methods, such as ecological networks and models were applied to reveal the connections between functional microbial abundances and ecosystem-single functions and EMF. We propose the following hypothesis: (1) biochar and organic fertilizer co-applications could better improve the abundances of soil functional microbes and the EMF than their single application; (2) changes in the abundances of special functional microbes in the soil could be the strong predictors of the EMF, and the relationship could be regulated by fertilizedeffects on certain soil attributes. This study provides new insights into the effects of biochar and organic fertilizers, especially their co-application, on soil functional microbiomes and agroecosystems multifunctionality, and demonstrates the importance of soil microbe-driven function processes to stabilize or increase ecosystem functions and services.

Starting from 2013, a field localization experiment was conducted in Liuyang City, Hunan Province, China ( ). Average local precipitation of this location is about 1429 mm and the average temperature is . The experimental soil is light-loamy fluvo-aquic soil formed by alluvial sediments. The basic soil properties ( ) at the beginning are shown in Additional file 1: Table S3.

The experiment included five treatments: (1) no fertilizer, CK; (2) inorganic fertilizer, CF; (3) mixed input of inorganic fertilizer with biochar, BF; (4) mixed input of inorganic fertilizer and pig manure (replacing of inorganic N with manure), OF; and (5) BOF, OF mixed with biochar. Every treatment consisted of three plots, each of which was in size. The experiment was conducted in a rotations of maize and cabbage. Fertilizer application rates, fertilizer types, and their homologous nature are provided in Additional file 1: Table S4. The fertilization regime was maintained from the beginning of the trial. Crop residues were cleaned up after the harvest.

Maize cobs and straw were harvested separately by hand at maturity in 2021. Maize kernels were sun-dried for one month, adjusted to a kernel moisture of less than , and then weighted to determine yield. Maize cobs and straw samples were dried in an oven at to constant dry weight. The accumulation (uptake) of the maize plants was calculated by measuring maize plant biomass and content.
Soil was sampled using the five-point method and shake-down method. Five portions of soil mass with intact root systems were dug from each plot and brought back to laboratory immediately. Large patches of soil that did not contain roots were gently shaken off first, and then the soil adhering to the root perimeter removed with a knife was used as bulk soil. The soil adhering to the root perimeter was removed using a brush as rhizosphere soil. Five soil samples from each plot were mixed into one portion and then stored for subsequent analysis.

Soil pH was measured by a soil-water (1:2.5, w/v) slurry with a compound electrode (PE-10; Sartorius, Germany). Soil and contents were measured with a Discrete Auto Analyzer Smart Chem200 (Westco Scientific Instruments, Inc., Italy). Soil alkali-hydrolyzed N content was determined by alkaline diffusion method (Bao 2000). Soil dissolved organic C (DOC) content was measured by TOC analyser (ELEMENTER, Germany). Soil total dissolved N (TDN) content was measured via Potassium persulfate oxidation-UV spectrophotometry and the DON content was determined by calculating the difference between TDN and inorganic N ( ) as described by Doyle et al. (2004). Soil available P (AP) content was determined by spectrophotometer (Bao 2000). Soil total dissolved P (TDP) content was measured via ammonium molybdate spectrophotometric method (Galhardo and Masini 2000). content was measured by phospho-molybdenum blue method (Jarvie et al. 2002). Soil dissolved organic P
(DOP) content was calculated as TDP- (Liu et al. 2019a). Total and available potassium in soil were determined using flame photometer (Bao 2000).

In this study, 18 variables were used as the indicators of ecosystem functions (Additional file 1: Table S3). Eight of them were the activities of soil enzymes correlated with , and P biogeochemical cycles, including -glucosidase (AG), -glucosidase (BG), -dcellobiosidase (CBH), acetylglucosaminidase (NAG), leucine amino peptidase (LAP), alkaline phosphatase (ALP), acid phosphatase (ACP). These enzymes can promote C and nutrient cycles by catalyzing organic matter degradation and nutrient transformations (Hu et al. 2021). The contents of soil organic C (SOC), total N (TN), and total P (TP) were devoted to represent soil , and P storage, respectively (Hu et al. 2021). Microbial biomass C (MBC), N (MBN), and P (MBP) contents are used to indicate , and P bio-availability (Ren et al. 2023). Specific measurement details for the above indicators are given in the supplementary material. Plant nutrient uptake, biomass, and grain yield were used to represent plant nutrient acquirement and productivity (Zak et al. 2019).

Single functional indicators were Z-score transformed and then were averaged to gain EMF index on the basis of averaging method (Delgado-Baquerizo et al. 2016; Luo et al. 2018). In addition, a multiple-threshold method was adapted to calculate the EMF index (Liu et al. 2019b). This method can reveal the impacts of special functional microbial taxa in soil on the EMF over a range of thresholds from 0 to . To adopt the multiple-threshold method, we first normalized each function, and then each function was respectively convert to a percentage of its maximum value (Liu et al. 2019b).

High-throughput quantitative PCR was executed by a real-time PCR system (Wafergen, Fremont, CA, USA). A total of 64 primer sets were adapted to target the genes correlated with C-N-P-S cycles (Additional file 1: Table S1), including C degradation, C fixation, methane metabolism, N fixation, nitrification, denitrification, nitratereduction, anammox, N mineralization, inorganic solubilization, organic- mineralization, and S cycling. Melting process was automatically generated and analyzed by SmartChip qPCR Software. Specific procedures of this analysis are offered in former literature (Zheng et al. 2018; Wang et al. 2022).

Principal component analysis (PCA) and heat-map in R software tool (version 4.0.5) were adapted to contrast the diversity between treatments in the abundances of soil functional genes or microbial populations. Co-occurring relationships between ecosystem-single functions and functional gene abundances in bulk and rhizosphere soil were revealed by structuring ecological networks. Relationships between functional microbial abundances and the EMF index were further explored by regression analysis and multi-threshold approach.
The main predictors of the EMF index were deciphered by random forest analysis proposed by Breiman (2001). Random forest algorithms added an additional layer of randomness to bagging, and each tree used a different bootstrap sample of the data. The “randomForest” and “rfPermute” packages were used to carry out and estimate the significance of importance metrics for a random forest model by permuting the response variable. Details on the analysis process have been given in former publications (Luo et al. 2019, 2020). Structural equation model was developed by analyzing soil properties and functional microbial abundances to identify the main drivers and pathways of the EMF index. A priori model of the known potential correlations between the EMF and
the above mentioned drivers was developed on the basis of data mining with random forest analysis. AMOS software (SPSS AMOS 20.0.0) was used for the construction and evaluation of the model. The following metrics were used to evaluate the goodness of fit of our model: the root mean squared error of approximation (RMSEA), chisquare value, Fisher’s P statistic, and the Akaike information criterion (AIC). Ultimately, the priori model was optimized to obtain the model that satisfied the goodness of fit condition, and the significance of the path was further verified.

Compared with the CK, fertilization treatments showed higher EMF index and 11 ecosystem-single functions ( ; Fig. 1). Compared to the CF, the BF, OF, and BOF treatments notably increased soil enzyme (BG, CBH, BX, AG, ACP, and ALP) activity, soil C and N (TN and SOC) content, MBP content, N and P uptake by plants, yield, and plant biomass, and the BOF showed the highest increment of these functional indicators. The BF, OF, and BOF significantly increased the EMF index

by , and , respectively, compared to the CF.

There was a significant difference in the abundances of functional microbiomes (ADONIS: ; ANOSIM: ; A) and C-N-P-S functional microbial populations (ANOSIM: , ; Fig. 2B-E) among different treatments. There was also a significant difference in the C-N-P-S cycling microbial abundances between bulk and rhizosphere soil, and the soil place showed a bigger effect on the microbial abundances than the treatments ( ; Fig. 2A). The abundance of each functional gene showed a distinct response to fertilization treatments (Fig. 2F and G). The single or combined inputs of biochar and organic fertilizer increased the abundances of functional microbial groups to varying degree, with the rhizosphere soil having bigger impacts on the abundances than the bulk soil (Fig. 3). Compared with the CF , the microbial abundances related to C mineralization of the BF, OF, and BOF in bulk and rhizosphere soil increased by and ; The microbial abundances related to C fixation of the OF and BOF in both soils increased by and ; And the microbial abundances related to methane metabolism of the BF, OF, and BOF in both soils increased by and , respectively (Fig. 3A-C).

The microbial abundances related to (a) N fixation of the OF and BOF in the bulk and rhizosphere soil increased by 18.5-26.5% and 57.3-121.3%, (b) nitrification increased by 85.6-125.5% and 50.3-50.5%, (c) nitrate-reduction increased by 49.7-171.5% and 36.9 , (d) anammox increased by and 14.6-97.4%, (e) N mineralization increased by 99.9 and , (f) denitrification increased by and , respectively, compared to the CF (Fig. 3D-I). Compared to the CF, the microbial abundances related to Pi-solubilization of the BF, OF, and BOF in bulk and rhizosphere soil increased by and , and those related to

Po-mineralization of the BF, OF, and BOF in the two soils increased by and , respectively ( ; Fig. 3J and K). The microbial abundances related to S -cycling of the OF and BOF in bulk and rhizosphere soil increased by 16.5-84.4% and , respectively ( ; Fig. 3J-L).

The profiles of ecosystem functions and soil functional microbial populations were clustered in different treatments based on procrustes analysis, and meanwhile, the profile of ecosystem functions was found to be correlated to those of soil functional microbial abundances ( ; Fig. 4A). Mantel test affirmed that ecosystem functions were significantly correlated with soil functional microbial abundances ( ; ). The dissimilarity of ecosystem function profiles showed a significant relationship with that of soil functional microbial profiles ( ; Fig. 4B).

The co-occurring networks of functional gene abundances and ecosystem functional indicators showed multiple associations, dominated by positive edges (Fig. 4C). The functional indicators of BG, ACP, ALP activities, plant N uptake, and plant P uptake showed high connections with other notes. Meanwhile, the abundances of pqq-mdh, mcrA, korA, nirK2 and amoa2 in bulk soil showed high connections with other notes, and those of ppx, napA, nasA, glx and nirK2 genes in rhizosphere soil showed high connections with other notes (Fig. 4C). Heat-map analysis showed that the EMF and some eco-system-single functions, especially yield, biomass and nutrient uptake, showed significant correlations with the abundances of most functional microbial populations we studied in the bulk and rhizosphere soil (Fig. 4D).

The EMF showed significant relationships with the abundances of functional microbe related to C ( C degradation, C fixation, and methane metabolism), N (nitrification, denitrification, nitrate-reduction, and anammox), P

(Pi-solubilization and Po-mineralization), and S cycle in the bulk and rhizosphere soil ( ; Fig. 5). The abundances of microbial taxa related to C degradation, nitrification, and S cycling in the bulk soil were the important predictors of the EMF ( ; Additional file 1: Fig. S1A). Multi-threshold method showed that the abundances of the microbial taxa relating to C degradation, nitrification, and cycling in the bulk soil were positively correlated with the EMF (Fig. 6A-C). As shown by the regressions between microbial abundance related to C degradation, nitrification, and S-cycling and the EMF at each threshold, the minimum threshold (Tmin) was
, and , and the threshold of maximum effect (Tmde) was , and , respectively (Fig. 6A . When mapping the slopes of multiple regressions with confidence interval (Fig. 6D-F), the maximum threshold (Tmax) was infinite. The realized maximum effect (Rmde) of functional microbial abundance associated with C degradation, nitrification, and S -cycling was , and 15.84 , respectively. The results showed that, in the bulk soil, the abundances of microbial taxa related to C degradation, nitrification, and S cycling needed to increase by at least

copies soil, respectively, to improve one function of the ecosystem.
The abundances of the microbial taxa related to C degradation, nitrate-reduction, and Po-mineralization in the rhizosphere soil were the important predictors of the EMF ( ; Additional file 1: Fig. S1B). Multithreshold method showed that the abundances of the taxa related to C degradation, nitrate-reduction, and Po-mineralization in rhizosphere soil were positively correlated with the EMF (Fig. 6G-I). As shown by
the regression relationships between microbial abundance related to C degradation, nitrate-reduction, and Po-mineralization and the EMF at each threshold, the Tmin was , and , and the Tmde was , , and , respectively (Fig. 6G-I). The realized maximum effect of microbial abundance associated with C degradation, nitrate-reduction, and Po-mineralization was , and 16.03 , respectively (Fig. 6J-L). The results showed that, in the rhizosphere soil, the abundances of microbial taxa related to C degradation, nitrate-reduction, and Po-mineralization

needed to increase by at least copies soil, respectively, to improve one function of the ecosystem.

In the bulk soil, pH , available ratio, and DON content were the main predictors of the abundances of microbial groups relating to C degradation, nitrification, and S-cycling, respectively, followed by AP and inorganic N contents ( ; Additional file 1: Fig. S2A-C). In the rhizosphere soil, pH , available ratio, pH were the main predictors of the abundances of the microbial taxa related to C degradation, nitrate-reduction, and Po-mineralization, respectively, followed by AP and inorganic N contents ( ; Additional file 1: Fig. S2D-F).
The abundances of soil microbial taxa related to C degradation showed the largest direct effect on the EMF, followed by soil available ratio and nitrification and nitrate-reduction microbial abundance ( ; Fig. 7). The abundances of S cycling microbial population in the bulk soil and those related to Po-mineralization also showed direct effects on the EMF. Soil pH, available ratio, , and inorganic N contents indirectly influenced the EMF by mediating the abundances of the microbial taxa related to C degradation, nitrification,

S-cycling, nitrate-reduction, and Po-mineralization. Soil pH and C degradation microbial abundance showed the greatest positive total impacts on the EMF, followed by soil AP and nitrate-reduction microbial abundance. Soil ratio and nitrification microbial abundance showed a negative total effect on the EMF (Fig. 7).

Similar to previous studies (Biederman and Harpole. 2013; Luo et al. 2018), the amendments of biochar and organic fertilizer significantly increase most ecosystemsingle functions such as crop productivity, soil nutrient storage, and soil enzyme activities (Fig. 1). Biochar inputs can improve soil nutrient availability by regulating soil microbial activities and metabolisms, and then stimulate plant growth, change root structure, and increase photosynthesis (Backer et al. 2018; Liu et al. 2022b), thereby improving plant nutrient uptake, biomass, and yield (Fig. 1). Organic fertilizers have a positive impact on plant growth by improving soil nutrient status and physical conditions (Zhang et al. 2021). Additionally, soil C, N , and P reserves also have significant positive impacts on plant nutrient uptake and crop yield (Waqas et al. 2020). Organic C from organic fertilizers and C, N and

P resources from biochar are key factors in the increase of C and nutrient stocks in the soil (Fig. 1; Waqas et al. 2020; Ibrahim et al. 2021). Biochar and organic fertilizer inputs also can reduce nutrient losses by adsorbing nutrients from the soil and improving soil water holding capacity, further improving nutrient uptake by plants (Fig. 1; Zhang et al. 2021; Yan et al. 2023). Meanwhile, biochar can slow down the decomposition of organic fertilizers, and the combination of the two materials has
a greater promotion effect on maintaining the balance of soil nutrient supply and plant nutrient requirement (Kätterer et al. 2019). However, organic matter decomposition and nutrient transformations in soil cannot be separated from the regulation of soil extracellular enzymes (Dotaniya et al. 2019).
As indicators of ecosystem functions, soil enzyme activities participate in multiple soil functional processes (Wang et al. 2021). Biochar and organic fertilizer
amendments could enhance the activities of soil enzymes correlated with C and nutrients cycles (Fig. 1). Biochar and organic fertilizer can enhance soil C storage and bio-availability, thereby stimulating microbial growth and synthesis of enzymes associated with C degradation (Dominchin et al. 2021; Zhou et al. 2020). This is also confirmed by our results (Fig. 1). Biochar and organic matter can increase soil pH and improve the adaptability of some soil enzymes such as organic hydrolases (Neina et al. 2019). In addition, organic amendments also increase phosphatase activity by regulating soil aggregates (Hu et al. 2023). The increase of phosphatase activity improves the acquisition of nutrients by microbes, thus increasing soil MBP content (Fig. 1; Azeem et al. 2019). These findings suggest that special functional microbial taxa in soil have the role in improving soil C and nutrient mining by controlling biomass and enzyme synthesis, which in turn positively affects ecosystem functions (Li et al. 2023). Ultimately, these enhanced ecosystem-single functions by biochar and organic fertilizer co-applications had a high positive impact on the EMF (Fig. 1), which is closely related to special functional microbes in the soil (Luo et al. 2018; Han et al. 2022; Ren et al. 2023).

Our data revealed the significant increases in the abundances of soil microbes related to C degradation by biochar and organic fertilizer amendments (Fig. 3A). This result is consistent with previous researches (Guo et al. 2019; Li et al. 2020). The microbial taxa related to C degradation such as Chloromyces and Acidobacterium in croplands are abundant and contain a wide range of cellulose, hemicellulose, and polysaccharide degrading genes (Ibrahim et al. 2021). Organic fertilizers and biochar can provide abundant C sources to stimulate soil microbial degradation of soil organic matter (Zhou et al. 2020; Ibrahim et al. 2021). Fixation of by soil autotrophic microorganisms can slow down the increase of in the atmosphere and reduce greenhouse effect (Gao et al. 2023). Improvement of soil pH by biochar and organic fertilizers is a key factor in increased abundance of -fixed autotrophs (Huang et al. 2018). In addition, the rich nutrients provided by biochar and organic fertilizers can create suitable micro-habitats for autotrophic microbes, resulting in a significant enrichment of C-fixation microbes (Fig. 3B; Wang et al. 2021). Organic amendments such as biochar and organic fertilizers could significantly increase microbial abundance related to methane metabolism (Fig. 3C). The high porosity and aeration of biochar are conducive to the growth of methanotrophs (Zhao et al. 2022a). Organic amendments
can also enhance soil agglomeration, increase soil porosity, and offer more active substances for methanotrophs (Gong et al. 2022). Thus, biochar and organic fertilizer co-application is a promising management practice enhancing soil C sequestration and reducing the risk of methane emissions in agroecosystems.

Nitrogen mineralization is a key process that regulates soil available N and affects N uptake by plants (Liu et al. 2017). Our data showed increases of N mineralization microbes in the soils with biochar and organic fertilizer inputs (Fig. 3H), which is consistent with previous studies (Zhang et al. 2015). Organic N such as amino acids and amino sugars provided by organic fertilizers are the important sources of microbial N mineralization in soil, and the increase of its rate is chiefly correlated with the increase of soil TN and SOC (Zhang et al. 2015). In this study, the applications of biochar and organic fertilizers also could significantly enhance the abundances of N fixation and nitrification microbial groups (Fig. 3D and E ). Incorporating organic materials with a high ratio into soil can increase N fixation in the soil (Zhang et al. 2015). Increase in biological N fixation is also closely related to increased phosphatase production by organic amendments (Sun et al. 2015; Hu et al. 2023). Soil nitrification may reduce ammonia volatilization loss while leading to nitrate leaching and emission ( Li et al. 2018). Zhao et al. (2022b) found that biochar can enhance nitrification in acidic soils, which is related to amoA gene abundance. Nitrate reduction, denitrification, and anammox are important pathways for N losses and transformations in soil (Giles et al. 2012). Biochar and organic fertilizer amentments could significantly enrich soil microbial groups related to nitrate-reduction, denitrification, and anammox (Fig. 3F, G and I). Biochar and organic fertilizers can provide abundant active C compounds to denitrifying and nitrate-reduction microbes. Increased activity and metabolism of these functional microbial taxa further triggering N transformations and emissions (Lazcano et al. 2021; Cao et al. 2019). Our results also confirmed the regulation of soil content on the abundances of denitrifying and nitratereduction microbial taxa (Additional file 1: Fig. S2). Thus, biochar and organic fertilizer amendments can regulate soil N transformations via microbial action.

Biochar and organic fertilizer inputs could significantly enrich soil microbial taxa related to Po mineralization and Pi solubilization (Fig. 3J and K). The two functional processes play a vital role in soil available P mining and P uptake by plants (Alori et al. 2017). Abundant organic C sources in biochar and manure can stimulate the proliferation of soil P mining microbes and the secretion of organic acid and phosphatase (Zhang et al. 2022; Hu et al. 2023). The microbial taxa dissolving inorganic P are
closely related to soil pH , and the increase of soil pH by biochar and organic fertilizer applications may be one of the reasons for enrichment of Po-mineralization and Pisolubilization microbes (Additional file 1: Fig. S2; Zheng et al. 2019). Most in soil exists in the form of organic such as sulfate, which needs to be mineralized by microorganisms to be absorbed and utilized by plants (Saha et al. 2018). Sulfate reduction and oxidation in microorganisms are key steps in S biogeochemical cycle (Anantharaman et al. 2018). Biochar and organic fertilizer amendments significantly enriched S-cycling microbes (Fig. 3L). Soil S mineralization is related to soil oxygen content (Zhou et al. 2005). The improvement of soil aeration by organic amendments may be one of the reasons affecting S-cycling microbes (Xiao et al. 2018). These findings highlight the positive regulation of biochar and organic fertilizer applications on ecosystem functions and services by influencing functional microbes related to C-N-S-P cycles.

A variety of enzymes encoded by functional genes are associated with C and nutrient cycles in soil. Thus, changes in functional microbial abundance have a large impact on EMF (Wang et al. 2022). Consistent with former studies (Luo et al. 2019; Wang et al. 2022), our results demonstrated the linear relationship between the EMF and the abundances of most soil microbial populations related to C-N-P-S cycles (Fig. 4). This result may be related to a high redundancy of microbial communities in the soil for general functions (Li et al. 2021). More abundant microbes ensure more interactions among them to drive the EMF, thus improving ecosystem stability (Chen et al. 2022). In addition, the mechanism of multifunctional niche complementarity and interspecific functional differences can also explain the positive relationship between the EMF and soil functional microbial abundances (Luo et al. 2018). Both averaging and multithreshold method proved the significant associations between the EMF and the abundances of soil microbes (Figs. 5, 6). Most microbes in soil are heterotrophic organisms, and organic matter degradation is one of the most redundant functions of soil microbial communities (Maron et al. 2018). Thus, microbe-driven C degradation in soil is an important driver regulating ecosystem functions.
Soil pH and available nutrients could directly influence the EMF or indirectly by regulating soil special functional microbes (Fig. 7; Luo et al. 2018; Li et al. 2023). Increased unstable and available nutrients such as AP and inorganic N by biochar and organic fertilizer can promote the growth and metabolism of soil special
microbes, thereby stimulating them to degrade organic matter by secreting a series of enzymes (Zhou et al. 2020; Ibrahim et al. 2021). Nutrients in the process of organic matter degradation are released by soil microbes and utilized by above-ground community again, thus improving plant nutrient uptake and biomass (Delgado-Baquerizo et al. 2016). In addition, higher C availability in soil can enable the recruitment of specific microorganisms associated with N and P transformations, which in turn promotes the positive relationships of the EMF with soil nutrient cycles (Ren et al. 2023). Higher soil pH results in the disruption of the binding between organic components and clay, affecting soil microbiomes, and thus positively affecting C and nutrient cycles (Luo et al. 2018; Wan et al. 2020). For example, biochar and organic fertilizer inputs can increase soil pH to promote the growth of phosphorolytic microbes and phosphatase activity, and then strengthen organic P mineralization. Increased P mineralization further improves soil P availability and promotes crop P uptake and yield (Zheng et al. 2019; Hu et al. 2023). Thus, biochar and organic fertilizer applications can improve the living habitats of special functional microbial taxa by influencing soil pH and available nutrients, thereby positively regulating EMF. However, a wide and diverse range of functions and services across multiple ecosystem categories, e.g., greenhouse gases, plant functional traits, etc., also need to be investigated in order to provide a representative measure of overall ecosystem functioning (Garland et al. 2021). Meanwhile, comprehensive assessment of the EMF under organic amendment applications requires additional effort in disclosing rhizosphere effects that is regulate the associations between above- and below-ground communities.

This study demonstrated the applications of biochar and organic fertilizer, either alone or in combination, could significantly increase most ecosystem-single functions such as crop productivity, soil nutrient storage, and soil enzyme activities, which contributed to increase of EMF. Biochar and organic fertilizer inputs could significantly enrich the microbial taxa in soil related to , and S cycles to varying degree. Co-applications of biochar and organic fertilizer showed a higher positive impact on ecosystem functions and soil functional microbial abundances than their individual applications. The abundances of most these microbial populations were positively associated with the EMF and most ecosystemsingle functions. The microbial taxa related to C degradation, nitrification, nitrate-reduction, Po-mineralization, and S-cycling showed large and significant prediction and association with the EMF, which is regulated by soil pH and nutrient availability. These findings suggest that
biochar and organic fertilizer applications, especially their co-application, could promote the propagation of soil functional microbiomes by regulating soil attributes and then improve ecosystem functions and services.

The online version contains supplementary material available at https://doi. org/10.1007/s42773-023-00296-w.

biomaker genes. Table S2. Biogeochemical cycles, group of functions, full names, abbreviations, and services supported by the 18 ecosystem functions. Table S3. Basic soil properties ( ) at beginning of field experiment. Table S4. Fertilizer application rates and fertilizer types of each treatment. Fig. S1. Random forest mean predictor importance (% increase in MSE) of the soil functional microbial population abundance with respect to ecosystem multifunctionality. Fig. S2. Random forest mean predictor importance (% increase in MSE) of the soil chemical property with respect to Functional microbial population abundance. AP available P, DON dissolved organic N, DOP dissolved organic P, DOC dissolved organic carbon.

Our work was supported by National Natural Science Foundation of China (42107262) and Key Field Research and Development Program of Hunan Province (2023NK2028).

GL, XZ, and YZ conceived, designed and financially supported the study; WH analyzed the data and wrote the paper, and conducted the analytical work with GL and JF; XR and JP revised the manuscript. All authors read and approved the final manuscript.

National Natural Science Foundation of China (42107262) and Key Field Research and Development Program of Hunan Province (2023NK2028).

All data generated or analyzed during this study are included in this published article (and its Additional files).

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

College of Resources, Hunan Provincial Key Laboratory of Farmland Pollution Control and Agricultural Resources Use, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China. National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Changsha 410128, China. Institute of Soil and Fertilizer, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China.

Received: 28 August 2023 Revised: 10 December 2023 Accepted: 23
December 2023
Published online: 08 January 2024

Aasfar A, Bargaz A, Yaakoubi K, Hilali A, Bennis I, Zeroual Y, Meftah Kadmiri I (2021) Nitrogen fixing Azotobacter species as potential soil biological enhancers for crop nutrition and yield stability. Front Microbiol 12:628379

Alori ET, Glick BR, Babalola OO (2017) Microbial phosphorus solubilization and its potential for use in sustainable agriculture. Front Microbiol 8:971
Anantharaman K, Hausmann B, Jungbluth SP, Kantor RS, Lavy A, Warren LA, Rappé MS, Pester M, Loy A, Thomas BC, Banfield JF (2018) Expanded diversity of microbial groups that shape the dissimilatory sulfur cycle. ISME J 12(7):1715-1728
Azeem M, Hayat R, Hussain Q, Tahir MI, Imran M, Abbas Z, Sajid M, Latif A, Irfan M (2019) Effects of biochar and NPK on soil microbial biomass and enzyme activity during 2 years of application in the arid region. Arab J Geosci 12:1-13
Backer R, Rokem JS, Ilangumaran G, Lamont J, Praslickova D, Ricci E, Subramanian S, Smith DL (2018) Plant growth-promoting rhizobacteria: context, mechanisms of action, and roadmap to commercialization of biostimulants for sustainable agriculture. Front Plant Sci 9:1473
Bai SH, Omidvar N, Gallart M, Kämper W, Tahmasbian I, Farrar MB, Singh K, Zhou G, Muqadass B, Xu CY, Koech R, Li Y, Nguyen TTN, van Zwieten L (2022) Combined effects of biochar and fertilizer applications on yield: a review and meta-analysis. Sci Total Environ 808:152073
Bao SD (2000) Soil and Agro-Chemistry Analysis, 3rd ed. China Agric. Press, Beijing
Basile-Doelsch I, Balesdent J, Pellerin S (2020) Reviews and syntheses: the mechanisms underlying carbon storage in soil. Biogeosciences 17(21):5223-5242
Biederman LA, Harpole WS (2013) Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling: a meta-analysis. GCB Bioenergy 5(2):202-214
Breiman L (2001) Random forest. Mach Learn 45:5-32
Brtnicky M, Dokulilova T, Holatko J, Pecina V, Kintl A, Latal O, Vyhnanek T, Prichystalova J, Datta R (2019) Long-term effects of biochar-based organic amendments on soil microbial parameters. Agronomy 9(11):747
Cao H, Ning L, Xun M, Feng F, Li P, Yue S, Song J, Zhang W, Yang H (2019) Biochar can increase nitrogen use efficiency of Malus hupehensis by modulating nitrate reduction of soil and root. Appl Soil Ecol 135:25-32
Chen W, Wang J, Chen X, Meng Z, Xu R, Duoji D, Zhang J, He J, Wang Z, Chen J, Liu K, Hu T, Zhang Y (2022) Soil microbial network complexity predicts ecosystem function along elevation gradients on the Tibetan Plateau. Soil Biol Biochem 172:108766
Dai Z, Yu M, Chen H, Zhao H, Huang Y, Su W, Xia F, Chang SX, Brookes PC, Dahlgren RA, Xu J (2020) Elevated temperature shifts soil N cycling from microbial immobilization to enhanced mineralization, nitrification and denitrification across global terrestrial ecosystems. Global Change Biol 26(9):5267-5276
Delgado-Baquerizo M, Maestre FT, Reich PB, Jeffries TC, Gaitan JJ, Encinar D, Gaitan JJ, Encinar D, Berdugo M, Campbell CD, Singh BK (2016) Microbial diversity drives multifunctionality in terrestrial ecosystems. Nat Commun 7(1):10541
Delgado-Baquerizo M, Reich PB, Trivedi C, Eldridge DJ, Abades S, Alfaro FD, Bastida F, Berhe AA, Cutler NA, Gallardo A, García-Velázquez L, Hart CC, Hayes PE, He JZ, Hseu ZY, Hu HW, Kirchmair M, Neuhauser S, Pérez CA, Reed SC, Santos F, Sullivan BW, Trivedi P, Wang JT, Weber-Grullon L, Williams MA, Singh BK (2020) Multiple elements of soil biodiversity drive ecosystem functions across biomes. Nat Ecol Evol 4:210-220
Dominchin MF, Verdenelli RA, Berger MG, Aoki A, Meriles JM (2021) Impact of N-fertilization and peanut shell biochar on soil microbial community structure and enzyme activities in a Typic Haplustoll under different management practices. Eur J Soil Biol 104:103298
Dotaniya ML, Aparna K, Dotaniya CK, Singh M, Regar KL (2019) Role of soil enzymes in sustainable crop production. In: Kuddus M (ed) Enzymes in food biotechnology. Academic Press, Cambridge, pp 569-589
Doyle A, Weintraub MN, Schimel JP (2004) Persulfate digestion and simultaneous colorimetric analysis of carbon and nitrogen in soil extracts. Soil Sci Soc Am J 68:669-676
Galhardo CX, Masini JC (2000) Spectrophotometric determination of phosphate and silicate by sequential injection using molybdenum blue chemistry. Anal Chim Acta 417:191-200
Gao Y, Liang A, Zhang Y, Huang D, McLaughlin N, Zhang Y, Wang Y, Chen X, Zhang (2023) Effect of tillage practices on soil emissions, microbial C-fixation, and C-degradation functional gene abundance in Northeast China. J Soil Sediment 23(1):446-458
Garland G, Banerjee S, Edlinger A, Miranda Oliveira E, Herzog C, Wittwer R, Philippot L, Maestre FT, van Der Heijden MG (2021) A closer look at
the functions behind ecosystem multifunctionality: a review. J Ecol 109(2):600-613
Giles M, Morley N, Baggs EM, Daniell TJ (2012) Soil nitrate reducing processesdrivers, mechanisms for spatial variation, and significance for nitrous oxide production. Front Microbiol 3:407
Gong H, Li J, Liu Z, Zhang Y, Hou R, Zhu O (2022) Mitigated greenhouse gas emissions in cropping systems by organic fertilizer and tillage management. Land 11(7):1026
Guo Z, Han J, Li J, Xu Y, Wang X (2019) Effects of long-term fertilization on soil organic carbon mineralization and microbial community structure. PLoS ONE 14(1):e0211163
Han Z, Xu P, Li Z, Lin H, Zhu C, Wang J, Zou J (2022) Microbial diversity and the abundance of keystone species drive the response of soil multifunctionality to organic substitution and biochar amendment in a tea plantation. GCB Bioenergy 14(4):481-495
Hossain ME, Shahrukh S, Hossain SA (2022) Chemical fertilizers and pesticides: impacts on soil degradation, groundwater, and human health in Bangladesh. Environmental degradation: challenges and strategies for mitigation. Springer International Publishing, Cham, pp 63-92
Hu W, Ran J, Dong L, Du Q, Ji M, Yao S, Sun Y, Gong C, Hou Q, Gong H, Chen R, Lu J, Xie S, Wang Z, Huang H, Li X, Xiong J, Xia R, Wei M, Zhao D, Zhang Y, Li J, Yang H, Wang X, Deng Y, Sun Y, Li H, Zhang L, Chu Q, Li X, Aqeel M, Manan A, Akram MA, Liu X, Li R, Li F, Hou C, Liu J, He JS, An L, Bardgett RD, Schmid B, Deng J (2021) Aridity-driven shift in biodiversity-soil multifunctionality relationships. Nat Commun 12(1):5350
Hu W, Zhang Y, Rong X, Fei J, Peng J, Luo G (2023) Coupling amendment of biochar and organic fertilizers increases maize yield and phosphorus uptake by regulating soil phosphatase activity and phosphorus-acquiring microbiota. Agr Ecosyst Environ 355:108582
Huang X, Wang C, Liu Q, Zhu Z, Lynn TM, Shen J, Whiteley AS, Kumaresan D, Tida GE, Wu J (2018) Abundance of microbial -fixing genes during the late rice season in a long-term management paddy field amended with straw and straw-derived biochar. Can J Soil Sci 98(2):306-316
Ibrahim MM, Zhang H, Guo L, Chen Y, Heiling M, Zhou B, Mao Y (2021) Biochar interaction with chemical fertilizer regulates soil organic carbon mineralization and the abundance of key C-cycling-related bacteria in rhizosphere soil. Eur J Soil Biol 106:103350
Jarvie HP, Withers PJA, Neal C (2002) Review of robust measurement of phosphorus in river water: sampling, storage, fractionation and sensitivity. Hydrol Earth Syst Sci 6:113-131
Jia R, Zhou J, Chu J, Shahbaz M, Yang Y, Jones DL, Zang H, Razavi BS, Zeng Z (2022) Insights into the associations between soil quality and ecosystem multifunctionality driven by fertilization management: a case study from the North China Plain. J Cleaner Prod 362:132265
Kätterer T, Roobroeck D, Andrén O, Kimutai G, Karltun E, Kirchmann H, Nybery G, Vanlauwe B, de Nowina KR (2019) Biochar addition persistently increased soil fertility and yields in maize-soybean rotations over 10 years in sub-humid regions of Kenya. Field Crop Res 235:18-26
Lazcano C, Zhu-Barker X, Decock C (2021) Effects of organic fertilizers on the soil microorganisms responsible for emissions: a review. Microorganisms 9(5):983
Li Y, Chapman SJ, Nicol GW, Yao H (2018) Nitrification and nitrifiers in acidic soils. Soil Biol Biochem 116:290-301
Li S, Wang S, Fan M, Wu Y, Shangguan Z (2020) Interactions between biochar and nitrogen impact soil carbon mineralization and the microbial community. Soil Tillage Res 196:104437
Li M, Guo J, Ren T, Luo G, Shen Q, Lu J, Guo S, Ling N (2021) Crop rotation history constrains soil biodiversity and multifunctionality relationships. Agr Ecosyst Environ 319:107550
Li QM, Zhang D, Zhang JZ, Zhou ZJ, Pan Y, Yang ZH, Zhu JH, Liu YH, Zhang LF (2023) Crop rotations increased soil ecosystem multifunctionality by improving keystone taxa and soil properties in potatoes. Front Microbiol 14:1034761
Liu Y, Wang C, He N, Wen X, Gao Y, Li S, Niu S, Butterbach-Bahl K, Luo Y, Yu G (2017) A global synthesis of the rate and temperature sensitivity of soil nitrogen mineralization: latitudinal patterns and mechanisms. Global Change Biol 23(1):455-464
Liu H, Yang X, Liang C, Li Y, Qiao L, Ai Z, Xue S, Liu G (2019a) Interactive effects of microplastics and glyphosate on the dynamics of soil dissolved organic matter in a Chinese loess soil. CATENA 182:104177

Liu T, Chen X, Gong X, Lubbers IM, Jiang Y, Feng W, Li X, Whalen JK, Bonkowski M, Griffiths BS, Hu F, Liu M (2019b) Earthworms coordinate soil biota to improve multiple ecosystem functions. Curr Biol 29(20):3420-3429
Liu H, Du X, Li Y, Han X, Li B, Zhang X, Li Q, Liang W (2022a) Organic substitutions improve soil quality and maize yield through increasing soil microbial diversity. J Cleaner Prod 347:131323
Liu M, Linna C, Ma S, Ma Q, Song W, Shen M, Song L, Cui K, Zhou Y, Wang L (2022b) Biochar combined with organic and inorganic fertilizers promoted the rapeseed nutrient uptake and improved the purple soil quality. Front Nutr 9:997151
Liu Q, Meki K, Zheng H, Yuan Y, Shao M, Luo X, Li X, Jiang Z, Li F, Xing B (2023) Biochar application in remediating salt-affected soil to achieve carbon neutrality and abate climate change. Biochar 5(1):45
Luo G, Rensing C, Chen H, Liu M, Wang M, Guo S, Ling N, Shen Q (2018) Deciphering the associations between soil microbial diversity and ecosystem multifunctionality driven by long-term fertilization management. Funct Ecol 32(4):1103-1116
Luo G, Wang T, Li K, Li L, Zhang J, Guo S, Ling N, Shen Q (2019) Historical nitrogen deposition and straw addition facilitate the resistance of soil multifunctionality to drying-wetting cycles. Appl Environ Microb 85(8):e02251-e2318
Luo G, Xue C, Jiang Q, Xiao Y, Zhang F, Guo S (2020) Soil carbon, nitrogen, and phosphorus cycling microbial populations and their resistance to global change depend on soil C:N: P stoichiometry. mSystems 5(3):e00162-20
Maron PA, Sarr A, Kaisermann A, Lévêque J, Mathieu O, Guigue J, Karimi B, Bernard L, Dequiedt S, Terrat S, Chabbi A, Ranjard L (2018) High microbial diversity promotes soil ecosystem functioning. Appl Environ Microb 84(9):e02738-e2817
Neina D (2019) The role of soil pH in plant nutrition and soil remediation. Appl Environ Soil Sci 2019:1-9
Ren T, Liao J, Jin L, Delgado-Baquerizo M, Ruan H (2023) Application of biogasslurry and biochar improves soil multifunctionality in a poplar plantation during afforestation processes. Plant Soil. https://doi.org/10.1007/ s11104-023-05968-x
Saha B, Saha S, Roy PD, Padhan D, Pati S, Hazra GC (2018) Microbial transformation of sulphur: an approach to combat the sulphur deficiencies in agricultural soils. In: Meena VS (ed) Role of rhizospheric microbes in soil: Volume 2: nutrient management and crop improvement. Springer, Berlin, pp 77-97
Saifullah DS, Naeem A, Rengel Z, Naidu R (2018) Biochar application for the remediation of salt-affected soils: challenges and opportunities. Sci Total Environ 625:320-335
Singh VK, Rai S, Singh D, Upadhyay RS (2021) Application of soil microorganisms for agricultural and environmental sustainability: a review. In: Dubey SK, Verma SK (eds) Plant, soil and microbes in tropical ecosystems. Springer, Berlin, pp 151-175
Sun R, Guo X, Wang D, Chu H (2015) Effects of long-term application of chemical and organic fertilizers on the abundance of microbial communities involved in the nitrogen cycle. Appl Soil Ecol 95:171-178
Wan W, Tan J, Wang Y, Qin Y, He H, Wu H, Zuo W, He D (2020) Responses of the rhizosphere bacterial community in acidic crop soil to pH : changes in diversity, composition, interaction, and function. Sci Total Environ 700:134418
Wang J, Xie J, Li L, Luo Z, Zhang R, Wang L, Jiang Y (2021) The impact of fertilizer amendments on soil autotrophic bacteria and carbon emissions in maize field on the semiarid Loess Plateau. Front Microb 12:664120
Wang T, Duan Y, Liu G, Shang X, Liu L, Zhang K, Li J, Zou Z, Zhu X, Fang W (2022) Tea plantation intercropping green manure enhances soil functional microbial abundance and multifunctionality resistance to dryingrewetting cycles. Sci Total Environ 810:151282
Wang X, Ge H, Fang Y, Liu C, Eltohamy KM, Wang Z, Liang X (2023) Biochar reduces colloidal phosphorus in leachate by regulating phoD- and phoC-harboring microbial communities during drying/rewetting cycles. Biochar 5(1):1-15
Waqas MA, Li Y, Smith P, Wang X, Ashraf MN, Noor MA, Amou M, Shi S, Zhu Y, Li J, Wan Y, Qin X, Gao Q, Liu S (2020) The influence of nutrient management on soil organic carbon storage, crop production, and yield stability varies under different climates. J Clean Prod 268:121922
Wu J, Sha C, Wang M, Ye C, Li P, Huang S (2021) Effect of organic fertilizer on soil bacteria in maize fields. Land 10(3):328

Xiao Y, Peng Y, Peng F, Zhang Y, Yu W, Sun M, Gao X (2018) Effects of concentrated application of soil conditioners on soil-air permeability and absorption of nitrogen by young peach trees. Soil Sci Plant Nutr 64(3):423-432
Yan B, Zhang Y, Wang Y, Rong X, Peng J, Fei J, Luo G (2023) Biochar amendments combined with organic fertilizer improve maize productivity and mitigate nutrient loss by regulating the stoichiometry of soil, microbiome, and enzymes. Chemosphere 324:138293
Yuan Z, Ali A, Ruiz-Benito P, Jucker T, Mori AS, Wang S, Zhang X, Li H, Hao Z, Wang X, Loreau M (2020) Above-and below-ground biodiversity jointly regulate temperate forest multifunctionality along a local-scale environmental gradient. J Ecol 108(5):2012-2024
Zabala JA, Martínez-Paz JM, Alcon F (2021) A comprehensive approach for agroecosystem services and disservices valuation. Sci Total Environ 768:144859
Zak D, Stutter M, Jensen HS, Egemose S, Carstensen MV, Audet J, Strand JA, Feuerbach P, Hoffmann CC, Christen B, Knudsen M, Stockan J, Watson H, Heckrath G, Kronvang B (2019) An assessment of the multifunctionality of integrated buffer zones in Northwestern Europe. J Environ Qual 48(2):362-375
Zhang Y, Wang F, Zhang J, Zhu T, Lin C, Müller C, Cai Z (2015) Cattle manure and straw have contrasting effects on organic nitrogen mineralization pathways in a subtropical paddy soil. Acta Agr Scand B-S P 65(7):619-628
Zhang Y, Yan J, Rong X, Han Y, Yang Z, Hou K, Zhao H, Hu W (2021) Responses of maize yield, nitrogen and phosphorus runoff losses and soil properties to biochar and organic fertilizer application in a light-loamy fluvo-aquic soil. Agr Ecosyst Environ 314:107433
Zhang YJ, Gao W, Luan HA, Tang JW, Li RN, Li MY, Zhang HZ, Huang SW (2022) Effects of a decade of organic fertilizer substitution on vegetable yield and soil phosphorus pools, phosphatase activities, and the microbial community in a greenhouse vegetable production system. J Integr Agr 21(7):2119-2133
Zhao Q, Wang Y, Xu Z, Yun J, Yu Z (2022a) Unravelling how biochar and dung amendments determine the functional structure and community assembly related to methane metabolisms in grassland soils. Biochar 4(1):49
Zhao Y, Wang X, Yao G, Lin Z, Xu L, Jiang Y, Jin Z, Shan S, Ping L (2022b) Advances in the effects of biochar on microbial ecological function in soil and crop quality. Sustainability 14:10411
Zheng B, Zhu Y, Sardans J, Peñuelas J, Su J (2018) QMEC: a tool for highthroughput quantitative assessment of microbial functional potential in C, N, P, and S biogeochemical cycling. Sci China Life Sci 61(12):1451-1462
Zheng B, Zhang D, Wang Y, Hao X, Wadaan MAM, Hozzein WN, Peñuelas J, Zhu Y, Yang X (2019) Responses to soil pH gradients of inorganic phosphate solubilizing bacteria community. Sci Rep 9(1):25
Zhou W, He P, Li S, Lin B (2005) Mineralization of organic sulfur in paddy soils under flooded conditions and its availability to plants. Geoderma 125(1-2):85-93
Zhou G, Gao S, Lu Y, Liao Y, Nie J, Cao W (2020) Co-incorporation of green manure and rice straw improves rice production, soil chemical, biochemical and microbiological properties in a typical paddy field in southern China. Soil Tillage Res 197:104499