农田土壤中氨氧化细菌群落多样性研究进展

陈雪丽，王玉峰，王 爽，张 磊，李伟群，王晓军，谷学佳

（黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，哈尔滨 150086）

微生物氨氧化是硝化作用的第一步也是限速步骤，在全球氮循环中是核心过程，具有维持地球生命活动的重要作用[1-3]。氨氧化细菌将氨转化为硝酸盐作为唯一的能源而进行氨氧化作用，广泛分布于土壤、淡水和海洋等环境，已经成为分子微生物生态学的一种理想模式微生物并被广泛应用为指示微生物[1]，其群落组成受气候条件、土壤的利用方式和植被类型等影响[4-6]。农田生态系统在全球氮循环中起着重要作用，Jia等认为农业生态系统每年的氮输入量大约占全球的25%，其中氮素大多被氧化参与氮循环过程，而氮的氧化过程主要是氨氧化细菌起主要作用[7]。随着研究手段的不断改进，土壤微生物的数量、种群组成对不同生态环境、不同农艺措施[8]的响应成为目前研究热点。本文就土壤类型、施肥制度和栽培方式对农田生态系统中氨氧化细菌群落的影响进行综述，旨在为减少农业面源污染、建立适合我国各类土壤类型的施肥制度提供依据和参考。

1 农田土壤中氨氧化细菌的种类

土壤中氨氧化细菌的群落结构和组成受温度、施肥处理和土壤pH的明显影响[9-10]。温度作为一个环境因子，可以直接或间接的通过改变土壤湿度、土壤pH和土壤铵的有效性等来影响土壤氨氧化细菌的活性和组成。Avrahami等研究表明低温条件下Nitrosospira cluster 1为优势群落，但在长期低肥料处理条件下，一些菌群种类会缺失，培养6.5～12周的氨氧化细菌群落组成差异显著，氨浓度最低0.3%，最高1%[11]。也就是说施肥处理对氨氧化菌群的影响可能高于温度对其影响。然而，施肥处理对氨氧化细菌群落组成的影响也存在不同的结论，Enwall等研究表明肥料处理对氨氧化细菌的活性和组成具有明显的影响，有机肥处理的氨氧化细菌群落多样性最高[12]。然而，也有研究表明不同肥料处理之间氨氧化细菌群落组成没有差异[13-14]。Stephen等研究发现，中性土壤中Nitrosospira cluster 3为优势菌群，在酸性土壤中Nitrosospira cluster 2为优势菌群[15]，同时，此前在碱性沙壤土壤中发现存在Nitrosospira cluster 9[16-17]。因此，氨氧化细菌作为土壤中的功能菌群，不仅受施肥、温度、土壤类型等因素影响，同时长期施肥条件下土壤的理化性状改变也是导致群落组成和群落种类不同的因素。

2 土壤类型对氨氧化细菌群落组成的影响

从对不同类型土壤中氨氧化细菌群落结构组成的研究报道可以看出，同样的处理如：无肥对照（CK）、单施氮肥（N）、氮磷肥（NP）、氮钾肥（NK）、磷钾肥（PK）、氮磷钾肥（NPK）、氮磷钾+有机肥（NPK+OM）和裸地，氨氧化细菌群落多样性和丰富度在湖南祁阳红壤旱地[17]、黄土旱塬区的黏壤质黑垆土[18]、石灰性紫色土[19]、黄棕壤性水稻土[20]和草甸暗棕壤旱地[21]土壤上的研究结果不尽相同。其一致认为，有机肥对氨氧化细菌群落组成和物种丰富度起到重要作用，NPK+OM处理的氨氧化细菌多样性最高。结论不同的是，在红壤旱地[17]的试验结果表明单施氮肥处理的氨氧化细菌多样性最低；黄土旱塬区的黏壤质黑垆土长期定位施肥试验研究表明，长期单施氮肥处理的多样性指数和丰富度均高于裸地、磷肥和氮磷共施处理[22]。由此可见，在不同类型土壤上氮肥对土壤理化性状、pH值等影响不尽相同，进而导致土壤氨氧化细菌的群落组成和群落多样性与其他化肥处理相比，得出不同结论。因此，在讨论氮肥和有机肥对微生物群落组成的影响时，土壤类型是不可忽视的因素之一。

3 不同施肥制度对土壤中氨氧化细菌群落结构的影响

研究表明，大量施入化肥、有机肥和植物秸秆对农业生态系统的氮循环具有很大影响[17,23-24]。试验证实，在缓冲能力较低的土壤上，肥料对氮循环的影响更为明显[17,23]。然而，化肥和有机肥配施通常认为是最有效的方式[17,23,25]。Nyberg等研究结果表明，高温厌氧消解后的猪粪废弃物和猪粪提取物降低了土壤的硝化能力，但对土壤中氨氧化细菌群落组成没有影响[14]。辜运富等[19]和裴雪霞等[20]研究认为有机肥和无机肥配施条件下土壤氨氧化细菌的种群多样性明显高于不施肥对照处理和无机肥处理。氮肥的施入对土壤氨氧化细菌群落的影响结论不尽相同，程林认为长期单施氮肥增加土壤中的铵浓度，从而增加土壤中氨氧化细菌的多样性和丰富度，同时长期种植作物的处理与裸地相比也增加了氨氧化细菌的多样性和丰富度。单施磷和氮磷共施使土壤中氨氧化细菌的多样性和丰富度都有所降低[22]。而陈春兰等研究表明，长期单施氮肥使水稻土中亚硝化基因amoA的多样性降低[26]，同时Fan等认为长期施入化学肥料导致一些氨氧化细菌种类的缺失[21]。Shen等研究表明，所有含氮处理的氨氧化细菌都属于同一分支，磷钾配施处理和有机质处理分布在同一分支，与空白对照形成三个分支[27]。也就是说，施用氮肥对土壤氨氧化细菌群落变化产生显著影响，有机肥对氨氧化细菌的多样性和丰富度具有缓解和补充作用，但在各地不同的温度和环境条件下得出的结论也有所不同。

4 种植方式对土壤中氨氧化细菌群落结构的影响

土壤微生物多样性作为土壤肥力的敏感指标之一，会对农业管理措施产生即时而准确的响应，宋亚娜等研究证实不同作物种植体系会影响作物根际土壤氨氧化细菌的群落结构、土壤硝化能力，认为蚕豆与小麦和玉米间作与小麦和玉米单作或者小麦玉米两种作物间作可以提高作物产量，同时，与蚕豆间作可以提高作物根际铵浓度，进而促进氨氧化细菌群落的生长，使作物根际氨氧化细菌多样性增加，加速根际氮循化，促进矿物质氮被植物吸收利用[28-29]。

免耕秸秆覆盖可以有效地增加土壤微生物活性，尤其对脱氮菌活性增加显著[30]。孙淑荣等对玉米连作田土壤微生物区系组成研究表明，连作导致土壤中细菌数量减少，真菌数量增多[31]。目前，黑龙江省作为我国重要的商品粮基地，粮食作物的连作现象日益严重，水稻连作、玉米连作、大豆连作等。连作导致作物根际土壤酸化[32]、根圈微生态环境的变化[33]等，从而形成连作障碍。因此，合理的轮作、间作栽培制度是改善作物根际生态环境、构建健康土壤的关键所在。

土壤中氨氧化细菌群落结构组成不仅受土壤类型和施肥制度的影响，作物种类也是影响因子之一。农田生态系统是增加了人为色彩的生态系统，它既有自身的缓冲和调节功能，又受到人为的调控。农田土壤氨氧化微生物群落除了自然界不同气候环境包括温度和降雨等、土壤类型、土壤理化性状、施肥制度、种植方式的影响外，同一种作物不同品种[34]、生育时期[35-36]也会影响作物根际氨氧化细菌的群落组成和功能，从而影响生态系统的氮循环。

氨氧化细菌与土壤中氮素转化及有效利用有直接关系，同时对环境因素的变化反应敏感，是衡量土壤肥力、对环境变化进行预测预报不可或缺的指标。目前，农田生态系统中各种农艺措施、耕作栽培措施、土壤类型、肥料施用以及作物生育期对土壤氨氧化细菌群落的影响已有大量研究，但针对目前气候变暖、土壤酸化、过量施肥、作物连作、有效间作物缺失等条件下对土壤氮素有效性、土壤硝化能力以及土壤氨氧化细菌群落的影响还有待于深入研究探讨。如何因地制宜保育土壤中功能菌群，使其在提高肥料有效性、促进作物吸收、提高土壤肥力、促进碳氮良性循环中起到积极的作用，是未来值得关注的问题。

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