不同施肥模式下稻田土壤氮组分及微生物多样性研究进展

2022-12-06石丽红唐海明程凯凯李微艳肖小平

中国农学通报 2022年27期

石丽红，孙梅，唐海明，文丽，李超，程凯凯，李微艳，肖小平

（湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125）

0 引言

中国南方双季稻区水稻种植面积和产量均占全国首位，是中国重要的粮食主产区。该区域水稻常年种植面积和产量分别为1549.8万hm2和9631.6万t，分别占全国水稻种植面积和产量的51.6%和48.0%[1]。为获得水稻高产，长期以来稻田生态系统氮肥施用量一直保持在较高水平(500.0 kg/hm2)，增加了农业面源污染风险[2]。前人研究结果表明，不同的施肥措施是稻田土壤氮组分及微生物多样性重要的影响因素之一；在大量施用化学氮肥的情况下，作物积累的氮素仍有50%以上来自土壤，在某些条件下高达70%[3]。土壤氮库的主要存在形式为有机氮，占土壤全氮的90%以上，而植物所吸收的氮大多为无机形态[4]。土壤微生物是土壤中氮素循环的关键驱动因子，土壤中的有机氮必须通过土壤微生物矿化作用转化为有效氮形态才能被植物吸收利用；因此，土壤微生物是土壤有机质和养分转化与循环的动力，也可作为土壤中植物有效养分的储备库[5]。

因此，探明土壤微生物在氮素转化过程中的作用和机制对于建立土壤生态系统中氮素的良性循环十分关键，通过优化稻田土壤氮素的转化过程，有利于水稻充分利用土壤氮库、减少化学氮肥的投入，是提高氮素利用效率、降低氮素环境风险、促进稻田生态系统提质增效的关键举措[6]。

1 稻田土壤氮素形态和矿化作用特征

氮素是影响水稻生长发育和产量最为关键的营养元素之一，大多数土壤中的氮素均以有机态形式存在为主，不易被水稻直接吸收利用，其有机氮矿化作用成为供给水稻生长所需氮素的关键过程。土壤有机氮含量及化学形态直接影响到氮素的矿化量及矿化速率，决定着土壤的供氮能力。自20世纪初Fraps等开始研究土壤氮素矿化过程以来，矿化作用一直是广大研究者的关注点[7]；开展在不同施肥条件下对土壤矿化作用（矿化参数与矿化强度等）的研究，其研究结果有利于预测稻田土壤的供氮能力，从而根据土壤供氮特征确定适宜的氮肥施用量。

稻田土壤氮素矿化作用是一个复杂的过程，土壤是发生其矿化作用重要的环境，土壤氮素的形态、矿化特性与土壤类型、土壤耕作、肥料种类和施肥制度、秸秆还田等农田管理措施关系密切。其中，施肥模式是影响稻田土壤氮素形态、矿化作用和硝化作用较为关键的因素之一。前人就关于采取不同施肥模式对土壤氮素形态、硝化作用和矿化作用特征影响开展了相应的研究。在不同施肥方式对土壤氮素形态的影响方面，BREMNER等[8]采用酸解法将土壤有机氮组分分为氨基糖氮、氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解未知氮，而酸未分解的部分为非酸解性氮。前人研究结果表明，有机肥、秸秆还田与化肥配合施用均有利于增加稻田土壤氮组分含量[9]；其中，有机肥与化肥配施对于增加土壤氨基酸态氮和酸解未知态氮含量的效果均明显优于单独施用化肥处理[3,10]；秸秆还田配施化肥处理能显著提高稻田土壤氨基酸态氮和酸解氨态氮含量，但对土壤氨基糖态氮和酸解未知氮含量均无显著的影响[11]。在不同施肥方式对土壤矿化作用特征的影响方面，前人研究结果认为，施用化学氮肥能刺激土壤硝化作用，短期施用化肥措施条件下对土壤矿化作用无显著性的影响，而长期施用化肥措施条件下促进了土壤氮的矿化作用[12-13]。施用低C/N的有机肥措施有利于显著促进土壤中有机氮的矿化作用和硝化作用[14]，而施用C/N较高的作物秸秆措施在短期内显著抑制土壤有机氮的矿化作用和硝化作用[15]。因此，不同肥料的种类、施用方式和施用时间等措施对土壤氮素形态、硝化作用和矿化作用的影响各异。

2 稻田土壤氨氧化菌、硝化和反硝化菌群功能基因数量动态

氨氧化作用是硝化作用的第一步反应，也是限速步骤，是土壤氮素转化的中心环节[16]。氨氧化细菌(AOB)主要集中于亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和亚硝化球菌属(Nitrosococcus)[17]。有研究表明，氨氧化古菌(AOA)也具有氨氧化活性[18]。基因组分析进一步表明，AOB和AOA在其生理机能和代谢途径等方面均存在明显的差异[19]。YANG等[20]研究结果表明，硝化基因(amoA)和反硝化基因(nirK，nosZ)均受氮肥施用水平的影响。SRITHEP等[18]发现在2种不同的硝化反应条件下，AOA和AOB的amoA基因丰度与潜在的氨氧化作用均存在线性相关，表明AOA和AOB促进了土壤硝化过程。有机肥和秸秆等易分解的有机物均能明显促进土壤AOA群落的生长[21]。上述研究结果进一步证实了AOA具有兼养性或异养性生长特性[17]。关于反硝化菌研究结果表明，具有反硝化功能细菌存在的形式多样，有些特定种群采用传统的测定方法无法进行检测[22]。因此，使用16S rRNA序列开展反硝化菌群落结构研究存在较大的困难，而采用反硝化功能基因开展生态功能相同但亲缘较远的反硝化菌群落结构研究更为可行。

前人就不同施肥方式条件下土壤硝化和反硝化菌群功能基因数量动态的影响开展了相应研究，ANTPNIO等[23]研究发现，不同施氮水平对氮素转化根际土壤微生物群落结构具有显著的影响，其微生物群落结构与土壤氮素有效性存在密切的关系。不同施肥方式对根际土壤nirK和nirS的基因丰度具有明显的影响，施用有机肥显著增加了根际土壤nirK和nirS基因数量[24]。也有研究表明，小麦根际土壤nirK、nirS和nosZ基因数量均显著高于非根际土壤[25]，根际效应是影响土壤氨氧化古菌amoA基因最为关键的影响因素。DUAN等[26]研究发现，与长期单独施用化学肥料处理相比，施用猪粪措施有利于增加稻田土壤中nirK和nosZ数量，而AOA和nirS数量在各个施肥处理间均无显著性差异。

3 土壤氮素转化微生物活性和胞外酶活性

土壤微生物和土壤酶是土壤生态系统中较为重要和活跃的组成部分，它们在土壤物质循环、系统稳定性和可持续发展过程中均具有十分重要的作用[27]。土壤微生物是反应土壤质量状况最为敏感的有效生物学指标，土壤微生物的类群主要可分为细菌、真菌、放线菌和原生动物等，与土壤氮素转化、有效性和土壤肥力有关的微生物类群主要有氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、自生固氮菌和纤维素分解菌等[17,28]。前人就不同施肥方式对稻田土壤氮素转化微生物数量和胞外酶活性影响开展了相应的研究，研究结果表明，连续采取秸秆还田和施用有机肥均有利于增加土壤微生物生物量氮含量，土壤微生物活性明显增强[29]。同时，有机肥与化肥合理配施有利于增加土壤固氮菌、纤维素分解菌数量；可显著增强纤维素分解强度，促进土壤有机质分解，有利于培肥土壤[30]。有研究结果表明，施用有机肥或有机无机肥配施均能显著增加土壤硝化细菌、氨化细菌和自生固氮菌数量[27]。但也有研究表明，单独施用化肥条件下土壤硝化细菌、固氮菌和纤维分解菌数量均高于无肥处理，而土壤反硝化细菌和氨化细菌数量均低于无肥处理[2]。

土壤胞外酶是土壤生态系统中最为活跃的组分之一，它反映了土壤生态系统中根际土壤微生物参与氮素转化的能力，其活性可作为评价土壤微生物生态系统质量和土壤肥力改变的重要指示指标[31]。土壤中许多胞外酶（土壤固氮酶、脲酶、芳基酰胺酶、β-葡糖苷酶、过氧化氢酶）与微生物呼吸、微生物种类及数量以及土壤氮含量、有效性等关系密切[12,15,31]。土壤胞外酶活性的变化与所采用的肥料种类、施肥方式等管理措施关系密切，前人研究结果发现，与不施肥对照相比，各施肥处理均有不同程度地提高土壤氮素转化相关酶活性（土壤固氮酶、脲酶、β-葡糖苷酶和芳基酰胺酶），其中以秸秆还田、有机肥配施化肥的效果最为明显[32]。ULLAH等[33]发现施用化肥可以增加土壤过氧化氢酶活性。但也有研究结果表明，有机无机肥配施有利于提高土壤脲酶、固氮酶的活性，对土壤过氧化氢酶的影响较小[34-35]。在土壤酶活性与土壤养分因子之间相关性分析研究方面，MIAO等[36]研究认为，土壤脲酶活性与土壤各养分因子（全氮、碱解氮、有效磷）均呈显著或极显著正相关；除碱解氮外，土壤过氧化氢酶活性与其余各养分因子均呈显著或极显著负相关。WU等[28]研究结果表明，土壤脱氢酶活性与多数土壤理化特性因子均存在显著和极显著正相关关系。

4 土壤氮素转化微生物群落结构多样性

微生物群落组成是影响土壤氮转化、有效性十分重要的因素，不同的施肥措施通过影响土壤的物理和化学环境，从而影响土壤微生物的群落结构和多样性，国内外有研究者对土壤微生态系统氮素转化开展了相应的研究。其中，硝化与反硝化菌群落结构及多样性分析有助于我们对土壤氮素地球化学循环的进一步了解[23]。随着第二代高通量测序技术的成熟和快速发展，应用该技术开展环境微生物群落结构的研究，对实现微生物资源利用等方面均具有十分重要的理论和现实意义[17]。在应用高通量测序技术开展不同施肥方式对土壤微生物群落结构和功能多样性影响方面，有研究发现，长期施肥条件下土壤氮素代谢过程中以真菌 Sordariocetes，细菌 Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Betaproteobacteria、Deltaproteobacteria和 Gammaproteobacteria，古细菌 Thaumarcheota和Halobacteria为主[37]。Chen等[5]研究结果表明，长期单独施用化肥降低了土壤中与多糖分解和氮素转化有关的特定细菌类群（Chitinophagaceae和Nitrospiraceae）。LIAN等[38]研究13C标记的大豆根际土壤发现，标记的根际土壤中具有丰富的Aquincola、Amycolatopsis、Dechloromonas和Massilia等。LI等[39]研究发现，长期施用有机肥显著增加了土壤硝化菌的丰度、氨氧化菌amoA基因拷贝数，促进了土壤中Nitrospira和Nitrobacter菌群之间的耦合联系，有利于形成联系更紧密的微生物群落。TONG等[40]研究结果表明，有机肥处理显著降低了所有土壤团聚体中细菌群落的相对丰度，显著增加了土壤微团聚体中真菌群落的相对丰度。徐白璐等[41]发现，施用有机肥能显著增加土壤AOA和AOB amoA基因绝对丰度及16S rRNA基因相对丰度，而无肥和施用化学肥料处理提高了土壤AOA的相对丰度。