农田分子生态学科组10年来研究进展回顾及展望

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(中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081)

0 引 言

2018年是中科院东北地理与农业生态研究所建所60周年(以原长春地理所成立时间计)，同时也是东北地理与农业生态研究所农业技术中心成立40周年(以原黑龙江农业现代化所成立时间计)的庆典年。借此时机，本文对农田分子生态学科组将近10年的主要研究成果进行梳理、总结，并对未来的研究方向进行展望。

农田分子生态学科组定位：阐明东北黑土区主要农作物高产生理遗传基础与环境效应的关系，解析作物根系-土壤-微生物之间的相互作用关系，明确农田土壤微生物群落结构变化及其生态功能，发掘有益的生物资源，提高土壤固碳潜力和氮素利用效率等，为东北地区农业可持续发展提供理论和技术支撑。

农田分子生态学科组现有成员7人，其中3人获得黑龙江省杰出青年科学基金，2人为中科院“百人计划”入选者，1人为中科院青年创新促进会成员，1人获得黑龙江省青年科技奖。学科组年流动人员(博士、硕士研究生)平均10名左右。

学科组10年来承担各类科研项目30余项，其中国家自然科学基金项目14项，中科院百人计划项目2项，中科院重点部署项目4项，黑龙江省杰出青年基金和重点项目4项等。发表学术论文160余篇，其中SCI源论文112篇。获得黑龙江省自然科学二等奖2项(2011、2017)。

1 学科组10年来的研究工作的主要进展

1.1 系统解析了东北黑土农田土壤微生物的生物地理分布格局和主要驱动因素，为大尺度刻画黑土微生物群落结构组成及生态功能提供了第一手资料

东北黑土是我国重要的土壤资源，在保障国家粮食安全和生态安全上具有重要地位。由于受气候、开垦年限和农田管理措施等影响，东北黑土农田土壤养分含量，特别是土壤有机质含量呈现规律性的地理分布格局，总体呈现出南低北高的趋势[1]。但对于黑土土壤微生物是否也存在着地理分布格局？如果存在，其驱动因素是什么？还不清楚。为此，学科组成员于2012年南起辽宁省昌图北至黑龙江省讷河，采集了26个农田土壤样品，采用第二代高通量测序技术，对细菌[2]、真菌[3]、酸杆菌[4]、氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)[5]等微生物群落结构的地理分布规律及其驱动因素进行了解析。

研究发现黑土农田细菌和真菌都表现出明显的地理分布格局，但真菌群落地理分布规律性体现的更明显，黑土微生物地理空间分布存在微生物尺度效应。黑土土壤细菌与真菌均具有相似的纬度梯度多样性，即微生物α-多样性都呈现出高纬度土壤样品低而低纬度样品多样性高的分布规律。在土壤因子调控微生物空间分布格局方面，揭示出黑土农田细菌群落结构组成、多样性及优势细菌门的相对丰度受土壤pH和土壤有机质含量的双重影响，但土壤pH的作用强度更强。发现土壤真菌数量与土壤有机质含量呈显著正相关关系，而与土壤pH值无关；有机质含量还与土壤真菌一些分类单元丰度呈显著正/负相关关系，有机质是驱动黑土农田土壤真菌群落地理分布格局的主要土壤因子。

酸杆菌细菌一般具有嗜酸、寡营养和难培养的特点。土壤中酸杆菌门细菌与变形菌门细菌数量相当，一般占细菌总量的20%～50%左右，在土壤生态过程中起到重要的作用。高通量测序发现黑土农田酸杆菌门细菌丰度平均占到细菌总量的24%。国际上多篇论文研究结果发现，森林和草原土壤中酸杆菌的相对丰度与土壤pH呈显著负相关关系，然而这种关系在东北黑土农田上不成立，暗示黑土农田土壤酸杆菌可能存在独特的分布格局。为此，我们采用酸杆菌特异性引物ACIDO/342r进行PCR扩增，对扩增产物进行Miseq测序分析。结果发现，黑土带农田土壤中存在21个酸杆菌亚门，其中GP1、GP3、GP4和GP6为优势类群，占测序总数的90%左右。揭示出酸杆菌绝对丰度(数量)与土壤有机质含量呈高度正相关关系，表明黑土中一些酸杆菌成员为富营养菌，补充了学术界对酸杆菌是寡营养菌的认知。同时还揭示出黑土农田酸杆菌α-多样性与pH呈现非线性单峰分布关系，在土壤pH为6.0左右时，酸杆菌多样性最高。研究还发现，有别于黑土农田细菌和真菌群落分布规律，地理距离对酸杆菌群落在黑土带上分布格局影响不大，而土壤因素，特别是土壤pH是驱动酸杆菌群落结构地理分布的关键因子。

采用定量PCR和高通量测序，针对氨单加氧酶基因(amoA)研究发现，东北黑土农田功能性微生物AOB和AOA丰度变化与其他农田土壤相似，amoA基因丰度均表现出AOA大于AOB，AOA/AOBamoA基因拷贝数比值在3～91之间。发现土壤有机质含量和土壤pH分别是决定AOA和AOB数量的两个最主要土壤因子。AOA和AOB不同分类单元在黑土带上的分布受到多种环境因子的影响，AOA古菌α-多样性指数变化不大，不受任何土壤因子的调控；而AOB细菌α-多样性指数与土壤pH、全磷和速效钾含量呈显著正相关关系。AOA较AOB在黑土带上表现出更加明显的地理分布格局，土壤pH是驱动两类氨氧化微生物最主要的土壤因子。相关分析显示AOB较AOA对黑土农田潜在的硝化速率(PNR)贡献大。

1.2 对比剖析垦殖与自然恢复黑土微生物群落结构，追溯还原土地利用方式变化对黑土微生物的影响

东北黑土经过多年的垦殖，已从自然生态系统转变为农田生态系统。从生态学的角度出发，比较两种生态系统土壤生物和生物化学过程，可以追溯还原黑土质量退化的生物学机制。但事实上，由于人类近百年的活动，在同一块黑土地上很难找到原始的黑土与农田黑土进行对比研究。为此，我们以海伦农业生态实验站建立的垦殖与自然恢复黑土长期定位区为研究平台，采用分子生物学技术，以土壤细菌、真菌，以及与氮循环过程密切相关的氨氧化细菌和反硝化微生物为研究对象，从动态角度揭示了土地利用方式改变后上述土壤微生物的群落结构的季节性变化规律。

采用PCR-DGGE技术研究发现，黑土细菌和真菌群落结构首先受到土地利用方式的影响，其次受到季节变化的影响，而垦殖中不同肥料管理对黑土细菌和真菌群落结构影响有限[6]。采用构建克隆文库技术对黑土氨氧化细菌群落研究发现[7]，自然恢复处理的氨氧化细菌群落结构与垦殖处理差异显著，表明土地利用方式改变了氨氧化细菌的群落结构。比较不同季节样品发现，作物生长期的氨氧化细菌群落结构与非生长期群落不同。黑土中尚有12%～27%的AOB序列分类地位不能确定，表明黑土中氨氧化细菌组成十分丰富。以nirS基因为靶标基因，对黑土反硝化细菌高通量测序分析结果发现[8]，黑土反硝化细菌的主要成员包括Aromatoleum、Rhodanobacter、Cupriavidus、Bradyrhizobium、Proteobacteria_unclassified、Magnetospirillum和Rhodocyclaceae_unclassified。其中，Rhodanobacter和Rhodocyclaceae_unclassified显著受到季节变化因素的影响，而Aromatoleum、Bradyrhizobium、Proteobacteria_unclassified、Rhodocyclaceae_unclassified、Betaproteobacteria_unclassified、Dechloromonas、Azoarcus、Thiobacillus、Rubrivivax和Halomonas显著受到土地利用方式和施肥的影响，主成分分析结果表明，自然恢复和长期施肥处理改变了黑土反硝化细菌群落结构，而季节变化并未影响其群落结构。

1.3 揭示出几种农田管理措施对黑土农田土壤微生物影响，为科学制定农业生产措施提供理论支撑

肥料管理是最常见的农业管理措施，国内外许多研究表明肥料管理显著影响土壤微生物，但不同地点的研究结果不尽相同。东北黑土是地带性土壤，我们前面研究结果揭示出不同地点土壤微生物差异明显，但长期持续的相似施肥管理能否驱动不同地点的微生物群落结构具有趋同性？有机肥和化肥对黑土带上微生物产生什么样的影响？为回答这些问题，我们与黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源研究所等单位合作，从黑土带上3个长期定位实验站采集无肥(NoF)、单施化肥(CF)、化肥配施有机肥(CFM)和有机肥(M)处理，采用高通量测序技术对细菌和真菌群落结构组成进行解析[9]。我们发现尽管这3个地点不同的肥料管理方式已经实施超过了30多年，宏观来看3个地点微生物差异显著，不同地点微生物群落结构较稳定。该发现从一个侧面也验证了黑土微生物生物地理分布格局的存在，同时也表明黑土带上“一方水土生存一方微生物”。针对单个地点来看，不同施肥方式对黑土微生物群落结构确实产生了影响，但这种影响在3个地点上的表现方式不同，即相同的施肥方式对不同地点微生物群落结构组成影响不同，驱动不同地点微生物群落结构变异的土壤因子也因地点而变化。该研究结果充分地证明不同地点的黑土微生物群落结构较稳定，施肥只能对立地土壤微生物群落结构进行微调。

我们还对一个地点单施N、P、K化肥和施用N、P、K化肥不同组合的土壤固氮菌群落结构进行了研究(未发表数据)。结果发现所有含N肥组合处理的nifH基因拷贝数显著低于无N肥组合，含有N肥处理的固氮菌群落结构组成相似，明显地区别于不含N肥处理的群落结构组成。该结果揭示出黑土固氮菌微生物群落结构组成受到N肥的影响，P肥和K肥作用效果不明显。

向土壤中施入生物炭具有增加土壤碳汇，改善土壤理化性状，减少温室气体排放及提高土壤肥力等作用，生物炭农用已经成为国际上的研究热点。目前国内外关于生物炭作为土壤改良剂的研究多是基于一年内的室内培养或当年的盆栽和田间试验结果，而针对多年后的短期和长期效应的研究还很少。东北黑土素以土壤有机质含量高、土壤肥沃而著称，但由于长期过度开发利用和不合理的农业管理措施等原因，导致土壤酸化，土壤压实和土壤肥力下降等退化问题严重。基于生物炭固有的特征和施入土壤后的动态，研究生物炭短期和长期的生态效应对于科学制定生物炭施用策略具有一定的指导意义。为此，学科组于2012年建立了一个施用秸秆生物炭长期观测研究平台。生物炭按耕层土壤质量的0、2%、4%和8%一次性混合施入土壤，大豆和玉米轮作种植，监测生物炭对土壤理化性质和土壤微生物的影响。我们于2014年分4次采集耕层土壤样品，解析土壤理化指标和土壤细菌和真菌群落变化情况[10-11]。研究结果发现，施用生物炭3年后仍然对土壤理化指标有明显的影响，表现为增加土壤全碳和全氮含量及土壤含水量，提高土壤pH以及降低土壤容重等。采用实时荧光定量PCR和Illumina Miseq测序技术对土壤细菌群落研究发现，添加生物炭增加了土壤细菌丰度，在门、属和OTU等分类水平上均改变了细菌群落组成；施用生物炭增加了一些功能细菌的相对丰度，如芽孢杆菌属(Bacillus)和土微菌属(Pedomicrobium)等，而降低了慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)相对丰度；典范对应分析(CCA)表明，土壤细菌群落结构变化与土壤pH、全碳、全氮和全钾含量紧密相关。在土壤真菌群落结构方面的研究表明，生物炭施用也增加了土壤真菌丰度，在属和OTU水平上改变了真菌群落结构，但在门水平上没有显著影响；值得注意的是，生物炭施用降低了镰刀菌属(Fusarium)和黑粉菌属(Ustilago)的相对丰度，说明施用生物炭有抑制植物病原菌生长繁殖的作用。CCA分析表明，土壤真菌群落结构变化与土壤理化指标，如土壤pH、含水量、全碳、全氮、全钾和速效钾等密切相关。

1.4 研究了作物根际微生物和根内生菌多样性，为根际根内微生态调控和有益微生物资源挖掘利用奠定了基础

作物根际是作物与土壤进行物质和能量交换的界面，也是土壤微生物最活跃的区域。受到根系分泌物或根际沉积物的影响，作物根际微生物具有非常强的根际效应，与非根际土壤相比表现在微生物数量多，结构组成不同。那么作物根际微生物群落结构组成有哪些？他们受到什么因素影响？为揭示作物的“根际对话”，我们采用盆栽和田间试验相结合的方法，选取3种产量不同的大豆基因型、生长在两种土壤(黑土和暗棕壤)上的根际细菌和真菌群落结构进行了PCR-DGGE解析[12-13]。发现大豆根际微生物丰富度，不论细菌群落还是真菌群落均表现出随生殖生长期进程推进而呈下降趋势。土壤类型是决定大豆根际微生物群落结构变化的主导因子；细菌和真菌群落结构均随生育时期推进而演替，表明生育期是影响大豆根际微生物群落结构组成的次要因素；不同大豆基因型只对根际可培养细菌产生影响，而对整个细菌群落结构没有显著的影响。该研究表明根际不同细菌对环境变化的响应程度不同。根际可培养细菌可视做“r”类菌群，对环境变化敏感；根际大量的不可培养微生物可被看作为“k”类菌群，对环境变化不敏感。采用直接提取土壤DNA进行检测时，“r”类菌群的信息被掩盖掉；而采用平板培养后再检测，“r”类菌群的信息得以放大，基因型间的差异得以显现。因此，在微生物生态学研究中，在注重分子生物学技术应用的同时，传统培养技术的重要性也不可忽视。

大豆连作障碍一个重要的关联现象是连作会引起大豆根际微生物群落结构的改变。尽管这方面研究有许多报道，但由于受到研究手段的制约，我们对连作大豆根际微生物群落变化的了解还是“管中窥豹”。近年来，快速发展的高通量测序技术为全面认识连作大豆根际微生物变化提供了解决途径。为此，我们采用定量PCR和Illumina Miseq测序技术系统解析了连作和轮作大豆根际与非根际土壤细菌群落结构组成[14]。结果表明，轮作大豆根际和非根际的细菌数量和多样性均高于对应的连作大豆根际和非根际土壤；与非根际土壤相比，不论连作还是轮作大豆根际土壤细菌数量多，但多样性低。连作大豆根际和非根际细菌群落结构与轮作大豆差异显著，且根际较非根际细菌群落变化更显著。Betaproteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria和Alphaproteobacteria是引起连作和轮作大豆根际细菌群落结构变化的重要细菌门类。非根际土壤pH、全氮、全磷和速效氮磷钾是引起连作和轮作非根际细菌群落结构组成的土壤因子，其中土壤pH是主控因子。

作物根内生细菌是植物微生态系统的重要组成部分，研究根内生菌多样性对于发掘有益的内生微生物资源，提高作物的抗逆和促生能力具有重要的意义。植物内生菌多样性研究一直以来是一个热点也是难点课题，原因在于受植物细胞器，如叶绿体和线粒体遗传物质的干扰，现在普遍采用的核糖体DNA解析技术无法直接应用于内生菌多样性的研究。为此学科组与日本鹿儿岛大学合作，建立了锁核苷酸引物PCR扩增(LNA-PCR)和454高通量测序相结合的方法，解析出玉米和大豆根内生细菌群落结构组成[15]。研究发现，采用LNA扩增的植物样品中测得的基因序列基本上源自内生细菌，而未采用LNA的玉米和大豆根样品分别有97.4%和67.8%序列来源于植物细胞器的序列；采用LNA扩增的样品的OTU数量、ACE、Chao1和Shannon指数均高于未加LNA扩增的样品，取得了预期研究结果。采用该技术发现假单胞菌属(Pseudomonas)、慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)和黄杆菌属(Flavobacterium)是大豆内生细菌的主要成员，而链霉菌属(Streptomyces)和Niastella是玉米内生细菌的主要成员。采用平板分离培养的方法，从大豆和玉米根内获得多株分泌IAA和对作物病原真菌产生拮抗活性的内生细菌，对这些细菌进行了16S rRNA基因鉴定和促生效果的研究[16]，采用多相分类学方法鉴定出一株赖氨酸芽孢杆菌新种，命名为Lysinibacillusendophyticus，典型菌株为C9T[17]。

1.5 率先开展了细菌病毒(噬菌体)基因多样性研究，发现和建立一些新的噬菌体标记基因类群

细菌病毒(噬菌体)是生物圈中数量最多的生命体，在控制寄主群落演替、生物进化和地球生物化学循环中起到重要的作用。与环境中细菌、古菌和真菌等微生物遗传基因多样性的研究相比较，对环境中噬菌体遗传基因多样性研究很少。近年来，国际上针对海洋和湖泊水环境下的噬菌体基因多样性研究进展迅速，但针对陆地生态环境下的噬菌体基因多样性研究相对滞后。为此学科组主要以我国东北不同土壤类型衍生出的稻田为研究对象，对稻田生态系统编码T4型噬菌体主要壳蛋白的g23基因[18-20]、编码噬蓝藻体壳组装蛋白的g20基因[21]、T7型噬蓝藻体的DNA合成酶pol基因[22-23]、噬蓝藻体编码光和蛋白D1的psbA基因[24]和调控磷代谢的phoH基因[25]进行系统研究，发现许多新的基因序列，建立多个稻田独特的噬菌体基因类群，揭示出噬菌体不同的分子标记基因在海洋、湖泊和稻田等不同生态环境条件下的分布规律，在国际主流学术杂志上发表相关研究论文15篇。

另外，我们还以大豆根瘤菌和烟草3种病原细菌(青枯、野火和角斑)为寄主，从土壤环境中分离获得多株噬菌体，研究了这些噬菌体的生物学性状，并对1株大豆慢生根瘤菌[26]和2株烟草青枯病噬菌体进行全基因组分析报道[27-28]。这部分工作对于从噬菌体角度了解大豆根瘤菌群落演替规律和采用噬菌体疗法防控细菌性病害具有积极的意义。

1.6 揭示出东北大豆品种资源遗传演化关键性状，为大豆高产育种指标的选择提供参考

对作物基因型进行遗传改良是提高作物产量的重要途径。大豆产量增加是由于基因改良的结果，大豆育种的实质是连续地从不同的祖先亲本中积累目标性状的增效基因，而淘汰减效基因。然而，在大田生产条件下，对中国东北大豆遗传改良的评价，并未进行系统研究。

我们对过去50年东北大豆，尤其是黑土区主栽推广的50余个有代表性的大豆品种进行连续3年的田间试验研究，重点解析了与产量相关的光合生理、根系特征等遗传演化规律及其环境稳定性[29-30]。发现经过50年的品种改良，大豆株高下降14.0%，干物质重和收获指数分别增加25.8%和35.1%，R5期光合速率呈逐渐增加的趋势，根系生物量、根长及根体积提高，且R5后根系衰老缓慢，倒伏性状及籽粒病虫害也得到明显改善，而且这些性状与产量及产量性状呈显著相关关系[30]。品种推广年代与产量之间表现出显著的线性回归关系，产量呈逐年增加的趋势，平均每年提高1.27%；荚数、粒数也均显著增加，平均每年提高0.54%和0.98%，但百粒重未表现出显著变化；在品质研究方面发现大豆蛋白质和脂肪含量变化不大，且品种间变异幅度较小。基于本研究发现，我们提出高产大豆育种应注重改良的指标：注重光合速率、干物质同化效率和氮素积累的提高。此研究结果为我国东北大豆高产育种指标的有效选择及品种资源保护提供理论参考。

1.7 阐明黑土区高产大豆冠层-根系关系，为群体调控大豆生长发育提供理论依据

作物生产是群体生产，而群体是由个体组成的，但不是个体的简单相加。在一个生长周期内，对产量形成起决定作用的结构是群体光合系统和非光合系统达到最大值并相对稳定时的结构，而地上部群体结构的优化离不开地下部根系的协调生长。所以，研究东北黑土及气候环境条件下大豆根系-冠层建成与产量形成的关系，对明晰产量限制因子，有目标的选育高产品种至关重要。

针对高产大豆，开展了大豆根系时空分布与冠层特征关系的研究[30-31]。通过对大豆根系的动态及空间分布的量化研究，明确了黑土区主栽大豆品种根系生长发育模式，揭示了影响大豆地上部生长的根系关键特征，提出比根长矿质养分吸收速率(SRA)的概念。发现现代主栽品种根系生长量大，地上部向根系分配更多的干物质，使得根冠比提高15%，根长增加24%，根系衰老延迟，在R5期后仍保持较高的根系活力，表现为临近植株的土壤深层根系分布提高35%，根长和根表面积持续期相对提高27%，提出根长持续期与叶面积持续期显著相关[31]。

阐释了大豆根系生长与土壤养分的关系。磷影响根系的分级生长，显著提高三级和四级根重，增加幅度分别为51%和57%；磷提高三级和四级根长和侧根数量的作用更加明显，根长的增加幅度为303%和797%，侧根数量增加幅度为246%和433%，而磷对这两个级别的侧根的单根根长影响不大[32]。明确了磷通过优先刺激三级和四级侧根的分化来增加这两个根级的根长，进而改变大豆根系的生长模式。

1.8 揭示大豆光合碳和大豆残体碳在黑土中的转运机制，为不同有机质含量黑土农田的土壤有机质形成和维持机制提供了直接佐证

系统研究植物根系生长过程中向土壤中释放有机碳对于揭示陆地生态碳循环及优化土壤有机碳管理具有重要意义。为此，我们采用13CO2脉冲式示踪技术对大豆各生育期进行标记，动态监测13C在地上部、根系、根瘤及土壤中的分布趋势。结果发现，黑土上生长的大豆，地上部至少占当天同化的碳的3/4，到成熟期，V4期地上部同化的碳仅占7.5%，而R6期的同化碳占71%；随生育期进程的增加同化碳向根系分配的比例逐渐下降，在R4期根瘤对碳的需求最高；V4期的同化碳75%以呼吸形式损失掉，而R6期仅有25%的同化碳被呼吸消耗；在大豆R5期前光合碳对土壤碳库的动态贡献较为稳定，表明这部分光合碳对黑土有机碳有重要贡献，在全生育期内的贡献率达到93%以上[33]。研究发现，在高有机质黑土中大豆光合碳向土壤中的积累量大，而在低有机质黑土中的光合碳大部分被土壤微生物呼吸利用[34]。大豆光合碳对黑土碳库的贡献受到土壤有机质、矿质粘粒及微生物共同作用的影响。大豆生长季向土壤中转运的光合碳是黑土碳库不可忽视的重要碳源。

东北黑土有机质含量呈现明显的地带性分布特点，作物秸秆在腐解过程中向有机质含量不同的农田黑土土壤碳库归还量是否存在差异？作物秸秆碳的转化的过程中都有哪些土壤微生物参与了？这些微生物在不同的黑土又存在哪些差异？回答这些问题有助于理解东北黑土农田土壤有机碳“南低北高”的分布规律，对黑土科学管理和维持农田土壤生产力有着重要的指导意义。为此，我们采用13C标记技术解析不同大豆残体(叶片、茎秆和根)的腐解过程，首次量化残体的碳对黑土各个有机碳库的贡献。发现不同残体显著影响残体有机碳向土壤各有机碳库的转化，顺序为根>茎>叶[35]。根残体中的碳向土壤颗粒有机碳中转运更多的碳，在稳定土壤碳库方面发挥重要作用。

在明确大豆根残体向黑土土壤碳库归还量大于茎和叶残体的基础上，进一步解析了13C 标记的大豆茎秆残体向低、高有机质含量黑土的转化情况。研究发现，相同量的秸秆碳向有机质含量高的黑土各有机碳库(粗颗粒有机碳、细颗粒有机碳和矿物结合有机碳)贡献量显著高于低有机质含量的黑土[36]；此外，秸秆还田对土壤固有有机碳产生了激发效应，其效应在低有机质含量的黑土中更为显著；同时采用高通量测序技术分析了秸秆添加对黑土土壤微生物群落结构的影响，在属以及OTU水平上揭示了土壤碳库变化与微生物群落结构的响应关系；发现在低有机质含量黑土中，Verrucosispora、Xanthomonadales和Steroidobacter对秸秆还田响应显著，而在高有机质含量黑土中，主要的响应菌属是Anaerolineaceae_uncultured。该研究对黑土区的秸秆还田策略的制订和秸秆碳转化机制研究提供了指导意义。

1.9 研究了大气CO2升高对豆科作物根际养分循环、大豆产量和根际微生物的影响，为未来气候变化条件下提高我国作物的生态适应性提供重要理论价值

大气CO2浓度影响植物向土壤输送有机物的模式，增加根系向土壤中释放有机物(包括根系分泌物、根系脱落物等)，改变根际微生物活性、功能及相关代谢过程，进而影响土壤养分循环过程。我们与澳大利亚国立大学、拉筹伯大学和维多利亚省农业部合作，利用FACE系统对高CO2(550 ppm)影响碳分配、根瘤形成及根际养分有效性的机制开展研究[37-38]，发现高CO2条件下碳向地下部转运的量明显增加，同时促进了侧根分化、根瘤形成和氮固定，这种影响同植物地上部控制的生长激素类信号分子及相关基因表达有关[38]。高CO2条件下根际土壤微生物活性提高21%，但土壤磷酸酶活性未受到影响，根际土壤有机态磷的含量升高32%，证明微生物功能对高CO2的响应与根际养分的转化密切相关，但这种转化程度同植物种类和土壤理化条件有关。利用稳定性同位素示踪技术进一步验证了CO2升高影响植物-微生物间碳流，进而影响根际的养分循环[39]。此项研究揭示了CO2-光合碳-微生物的关系，这对于未来气候变化条件下的土壤养分循环与利用有重要的理论意义。

我们利用开顶式气候箱(OTC)对24个推广面积大、具有代表性的东北大豆品种进行CO2浓度升高以及正常大气 CO2浓度处理条件下的大豆光合生理、内源激素含量及Rubp酶活性及产量形成的机制研究。发现CO2浓度升高可显著提高大豆花期的光合速率，但到鼓粒期，CO2处理对光合速率影响程度减弱；叶绿素也呈现相似的趋势，开花期叶绿素含量在高CO2浓度条件下显著高于正常CO2浓度，差异幅度为12.5%～72.2%；CO2处理对叶片IAA含量和Rubp酶活性并没有产生显著影响[40]；相关分析表明，CO2浓度的升高对产量的影响与光合速率和叶绿素含量显著相关，但与叶片IAA和Rubp酶活性关系不大。CO2升高显著提高大豆产量，但这种影响程度因品种而异。

为了明晰在高CO2条件下，大豆固氮能力是如何响应的，我们采取OTC系统，以8个大豆品种为研究材料，选取了R5和R8两个取样时期，同时标记稳定同位素15N来研究高CO2条件下氮源吸收变化与产量的相关性。结果表明，大豆在高CO2条件下产量的增加与R5-R8期间共生生物固氮量的增加高度相关(r=0.95)。虽然高CO2条件下大豆在R5-R8期对肥料氮和土壤氮的吸收量也有小幅度增加，但是这种增加量与产量的增加没有显著的相关性。结果还表明，升高CO2浓度后营养组织的氮向籽粒中的转运量呈下降趋势，降低幅度与产量的增加幅度显著相关。这与高CO2下大豆生殖生长后期共生固氮能力的增加密切相关，发现单个根瘤固氮能力的提高是固氮量增加的重要原因[41]。该研究揭示出CO2升高改变了大豆氮素的积累转运模式，为未来大豆生产的精确氮肥调控和管理提供了重要的理论依据。

大气CO2浓度的升高促进了大豆生长，增加大豆光合碳向地下部的分配比例。从土壤微生态的角度，这些改变将会导致土壤生物地球化学特性的变化，同时影响土壤微生物生存的微环境。由于土壤微生物在土壤养分循环中扮演着重要的角色，在高CO2浓度下土壤微生物群落结构的任何改变都可能会影响到植物养分的有效性，土壤碳存储，甚至生态系统的生产力及功能性。为了揭示CO2浓度升高是否对大豆根际微生物群落结构产生影响，我们进一步采用OTC系统，对4个大豆品种在两种CO2浓度条件下大豆细菌群落结构进行高通量解析，研究结果清晰地表明，高CO2浓度改变了大豆根际土壤微生物群落结构。CO2浓度显著影响了Gaiellales_uncultured、Acidimicrobiaceae_uncultured、Arthrobacter、Catelliglobosispora、Bryobacter、Bradyrhizobium、Ensifer、Pedomicrobium、Xanthomonadales_uncultured、Roseiflexus、Flavisolibacter、Chitinophagaceae_uncultured、480-2_norank、Gitt-GS-136_norank以及288-2_norank这些根际微生物在属水平上的丰度，同时CO2浓度所引起的Pseudomonas、Escherichia-Shigella和RB41_norank的变化程度主要取决于大豆品种。Acidimicrobiales_uncultured、Iamia、Blastococcus、Nitrosomonadaceae_uncultured、Escherichia-Shigella、Bacillus、480-2_norank以及GR-WP33-30_norank这8种微生物在属水平上受大豆品种调节最显著[42]。

1.10 初步量化了黑土侵蚀对生产力的影响并提出了快速恢复措施

耕层变浅是农田黑土侵蚀的最显著的表征。基于耕层剥离长期定位试验，确定耕层表土遗失0～5 cm，5～10 cm,10～20 cm为轻度、中度和重度退化的标准，发现黑土轻度退化对作物产量影响不大，但黑土表层(A层)消失，玉米减产50%以上，大豆减产30%，黑土层每变薄1 cm，玉米平均减产80 kg·hm-2，大豆减产14.9 kg·hm-2[43]。

研究发现，黑土退化抑制了玉米根系的时空分布和养分吸收，轻度、中度和重度退化的黑土玉米苗期根长分别降低7.3%、12.2%和12.9%，根表面积降低10.3%、20.9%和24.2%，根重降低3.7%、4.9%和39.6%；根系生长显著降低矿质养分的吸收，玉米籽实氮素吸收轻度、中度和重度分别减少17.2%、31.2%和50.5%，磷素吸收减少26.1%、33.5%和61.8%，钾素吸收减少33.9%、49.2%和69.5%[44]。

首次量化了退化黑土作物根际低分子量有机酸组成，发现轻度和重度退化黑土玉米根际的低分子量有机酸总量比未退化黑土分别减少44%和87%，而大豆减少11%和86%。分析主要低分子量有机酸组成发现，玉米根际草酸减少36.8%和73.7%，苹果酸减少11%和83%，丙二酸轻度无变化，重度减少87.5%，乳酸均减少80%左右，重度退化黑土已经检测不到马来酸；同样大豆根际草酸减少21.9%和78.1%，丙二酸减少29.8%和89.5%，乳酸减少25%和91%[45]。

发现玉米大豆轮作基础上，正常施用化肥并连续每年施用15 t·hm-2的牛粪，可以在3年内快速恢复严重退化黑土的有机碳含量，提高生产力，而且玉米产量提高幅度高于大豆。而且，连续施用15 t·hm-2的牛粪7年，可以完全恢复严重侵蚀的黑土的生产力[46]。长期施用牛粪可恢复严重侵蚀的黑土生产力的主要原因是：(1)增加有机碳30～45%，提高颗粒有机碳库的碳沉积速率7.1～9.0倍；(2)分别增加玉米根际和非根际土低分子量有机酸70倍和62倍，大豆增加28倍和20倍；(3)显著改善玉米、大豆的根际环境，提高养分有效性。全氮、潜在矿化氮、微生物量碳、脲酶和蔗糖酶活性平均分别增加7%、10.5%、15%、24.5%和25%[47-48]。

由此提出增施有机肥，更好的管理土壤微生物，是快速恢复严重退化的黑土并维持黑土生产力的关键，为退化黑土的快速恢复提供了理论性支持及高效可行的措施。但是，有机肥的长期施用有增加温室气体CO2排放的负面影响，实际应用需要权衡恢复产量与环境效应的关系[49]。

2 研究展望

东北黑土区是保障国家粮食安全的稳压器，也是保障国家生态安全的重要屏障。经过多年的垦殖，东北黑土土壤质量呈现不断下降的趋势，如何提高黑土农田土壤地力？如何可持续地保护和利用好宝贵的黑土资源是每个在此区域从事农业生产、科研和管理者必须考虑的问题。农田分子生态学科组作为在此区域从事农业生态研究的一个单元，在未来的研究中，学科组将立足于黑土土壤生产力的可持续性发展，从土壤微生物生态角度深入解析微生物功能与土壤质量和生产力的关系。研究内容将发生4个转变，即从微生物结构基因向功能基因转变，从单个基因向宏基因组学转变，从土壤基因组学向土壤蛋白组学转变，从不同尺度野外样品调查向控制实验研究微生物过程机理转变。我们将不断提升研究技术手段，采用第三代高通量测序技术和SIP技术研究秸秆还田的转化机制，研究作物根内根际微生物群落结构及功能等；我们将关注黑土农田环境污染问题，如抗生素抗性基因和重金属污染问题等，尽管这些问题相比我国南方土壤体现的不突出，但未雨绸缪、提前布局有助于持续保护好黑土资源；我们也将关注全球气候变化背景条件下，如大气CO2浓度和温度升高对植物生长、土壤碳库，以及土壤微生物群落结构和功能的影响，重点针对主栽作物开展光合碳在地下部的分配研究，以及高CO2浓度和温度升高对根际碳流的影响，揭示作物光合碳对土壤有机碳组分的贡献，探讨环境变化对植物-土壤-微生物间物质流和信息流的影响。同时还要深入开展耕层厚度与作物根系形态、发育以及耕层养分利用方面的工作。在做好基础性研究工作的同时，也要有针对性地开展实用技术的开发工作，如高效生防菌和促生菌资源的利用等，直接服务于农业生产、服务于生态文明环境建设。

总体而言，农田分子生态学科组10年来的工作得到了研究所、各级科研管理部门的支持，同时也得益于学科组同事和学生们共同努力和国内外同行的支持，但我们也清醒地知道，我们所取得的成绩与国家战略需求和应实现的社会责任还有很大距离。回顾过去，展望未来，我们将秉持“踏石留印、抓铁有痕”的弃而不舍精神，继续为黑土区农业健康发展做出新贡献。

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