摘要
研究长期施肥对土壤微生物群落的影响有助于揭示地下微生物区系与地上作物生产力之间的关系，这对于保障粮食安全、保护环境和维持生态系统功能均具有重要意义。充分发挥土壤微生物尤其是微生物关键类群的功能是一种提高作物生产力并减少肥料负面环境效应的优良策略，可为农业可持续发展做出贡献。平衡施肥，包括各种营养元素之间的平衡以及有机肥和无机肥之间的平衡，对维持作物高产和微生态系统稳定性具有关键性作用。我国南方红壤地区水热资源丰富，作物生产潜力巨大，但是红壤的酸铝和贫瘠特性极大地限制了该地区作物生产力发挥，平衡施肥对于红壤肥力及作物生产力提升尤为重要。然而，平衡施肥如何影响红壤微生物特别是关键类群及其与红壤肥力、作物生产力之间的关系尚不清楚。据此，针对南方红壤早地和水稻土生态系统，基于长期肥料定位试验，展开了不同施肥处理下作物产量、养分吸收、土壤肥力、土壤微生物区系及这些因素之间关系的研究。主要结论如下: (1)基于红壤旱地长期(35年)定位试验，在不同施肥处理(不施肥、氮肥、磷肥、钾肥、氮磷肥、氮钾肥、氮磷钾肥、两倍氮磷钾肥、氮磷钾肥配施有机肥、单施有机肥)下，测定了玉米产量和矿质元素含量、土壤微生物(细菌、真菌和古菌)群落特征和土壤养分含量，并探究了他们之间的关系。结果表明，与不施肥、单施化肥处理相比，单施有机肥、有机无机肥配施均能维持较高玉米产量。微生物丰度和群落结构而非α多样性能够解释不同处理问玉米产量的差异。从微生物共存网络中鉴定出16个土壤微生物关键类群(15个细菌和1个真菌)。其中，5个微生物关键类群属于Hypocreales、Bryobacter、Solirubrobacterales、Thermoicrobiales和Roseiflexaceae，它们可能通过增加土壤中磷的移动性，并抑制有毒元素铝、锰从土壤向植物的迁移，促进了玉米高产。而其余11个关键类群属于Conexibacter、Acidothermus、Ktedonobaeteraceae、Deltaproteobacteria、Actinobacteria、Elsterales、Ktedonobacterales和WPS-2，它们则表现出与前面的5个关键类群相反的作用。不同施肥处理间的玉米产量差异主要是由于玉米矿质元素的移动受到微生物类群的影响。我们推断，酸性红壤中微生物关键类群通过促进地上一地下矿质元素的移动，改善作物矿质营养，最终驱动作物产量。这揭示了土壤微生物关键类群与作物矿质营养和产量之间的关系，说明了土壤微生物关键类群在提高酸性红壤上作物产量中具有重要作用。 (2)进一步选择不施肥、氮磷钾肥、有机肥、氮磷钾肥配施有机肥四个处理，利用多组学分析手段，探究了红壤上玉米根际微生物组一玉米转录组一代谢组一产量之间可能的内在联系。结果发现，没有添加有机肥处理的玉米根际未招募到土壤微生物关键类群，而添加有机肥处理的玉米根际招募到一些有益微生物关键类群，即Vicinamibacterales(ASV13)、Gaiella(ASV136)、RB41(ASV354)。这些微生物均属于细菌，具有促进土壤磷素溶解与碳代谢、帮助植物抗病及应对非生物胁迫的功能。同时，我们发现添加有机肥处理可能通过上调玉米植株编码磷酸乙醇胺N-甲基转移酶3的基因LOC100383478，并促进相关代谢物磷酸胆碱的合成，增强玉米对矿质养分尤其是磷的吸收，最终提升了玉米产量。这一研究在土壤微生物组分析的基础上，进一步从玉米叶片基因转录和代谢物水平上，阐明了酸性红壤环境下长期不同施肥下土壤微生物关键类群、土壤肥力、玉米矿质营养和产量之间的可能内在联系。 (3)基于红壤性水稻土长期(40年)定位试验，在不同施肥处理(不施肥、氮肥、磷肥、钾肥、氮磷肥、氮钾肥、磷钾肥、氮磷钾肥、两倍氮磷钾肥、氮磷钾肥配施有机肥)下，测定了红壤性水稻土化学性质、微生物群落、水稻养分吸收和产量。与单施化肥相比，化肥氮磷钾和有机肥平衡施用显著改善了土壤养分状况，提高了水稻产量。土壤肥力的改善和水稻产量的提高与细菌、真菌、古菌的a多样性无关。细菌丰度、群落结构及古菌丰度能有效解释水稻产量变化，而真菌丰度不能解释水稻产量变化。细菌与古菌的群落结构和土壤性质相关，而真菌的群落结构与土壤性质无关。磷是影响水稻产量和土壤微生物群落的关键因素。通过构建微生物共存网络，鉴定出7个微生物关键类群:4种古菌(属于Thermoplasmata、Methanosaeta、Bathyarchaeia、Nitrososphaeraceae)和3种细菌(属于Desulfobacteraceae、Acidobacteriales)。这些微生物关键类群主要与土壤碳、氮转化和pH有关，可能通过调控土壤肥力，协同影响水稻养分吸收和产量。 (4)基于始于2015年的田间不同氦磷施肥试验，以前期筛选的5个水稻品种为试验材料，研究了红壤性水稻土上氮、磷缺乏对水稻产量、矿质元素吸收、根际土壤化学性质和细菌群落特征的影响。结果表明，3个高产水稻品种对氮、磷缺乏具有耐受性，而2个低产水稻品种对氮、磷缺乏较为敏感。水稻根际细菌群落的变化与水稻对氮磷缺乏的敏感性相对应。在缺氮或缺磷条件下，耐受型水稻根际细菌关键类群比敏感型水稻多。同时，耐受型水稻招募到一些细菌关键类群，这些微生物主要参与土壤氮素转化、植物促生、碳分解和铁循环等过程。这表明水稻根际细菌群落的选择依赖于水稻基因型对氮、磷缺乏的响应，耐受型和敏感型水稻根际招募不同的微生物菌群，这些菌群反过来可能会影响水稻对氮磷缺乏的响应。这一结果表明在氮、磷限制的红壤性水稻土中，不同基因型水稻根际招募不同土壤微生物关键类群可能是导致它们在氮磷胁迫条件下产量差异的原因之一。
NETL