不同施肥模式下稻田土壤氮組分及微生物多樣性研究進展

石麗紅，孫 梅，唐海明，文 麗，李 超，程凱凱，李微艷，肖小平

（湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125）

0 引言

中國南方雙季稻區(qū)水稻種植面積和產(chǎn)量均占全國首位，是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域水稻常年種植面積和產(chǎn)量分別為1549.8萬hm2和9631.6萬t，分別占全國水稻種植面積和產(chǎn)量的51.6%和48.0%[1]。為獲得水稻高產(chǎn)，長期以來稻田生態(tài)系統(tǒng)氮肥施用量一直保持在較高水平(500.0 kg/hm2)，增加了農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險[2]。前人研究結(jié)果表明，不同的施肥措施是稻田土壤氮組分及微生物多樣性重要的影響因素之一；在大量施用化學(xué)氮肥的情況下，作物積累的氮素仍有50%以上來自土壤，在某些條件下高達70%[3]。土壤氮庫的主要存在形式為有機氮，占土壤全氮的90%以上，而植物所吸收的氮大多為無機形態(tài)[4]。土壤微生物是土壤中氮素循環(huán)的關(guān)鍵驅(qū)動因子，土壤中的有機氮必須通過土壤微生物礦化作用轉(zhuǎn)化為有效氮形態(tài)才能被植物吸收利用；因此，土壤微生物是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動力，也可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲備庫[5]。

因此，探明土壤微生物在氮素轉(zhuǎn)化過程中的作用和機制對于建立土壤生態(tài)系統(tǒng)中氮素的良性循環(huán)十分關(guān)鍵，通過優(yōu)化稻田土壤氮素的轉(zhuǎn)化過程，有利于水稻充分利用土壤氮庫、減少化學(xué)氮肥的投入，是提高氮素利用效率、降低氮素環(huán)境風(fēng)險、促進稻田生態(tài)系統(tǒng)提質(zhì)增效的關(guān)鍵舉措[6]。

1 稻田土壤氮素形態(tài)和礦化作用特征

氮素是影響水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量最為關(guān)鍵的營養(yǎng)元素之一，大多數(shù)土壤中的氮素均以有機態(tài)形式存在為主，不易被水稻直接吸收利用，其有機氮礦化作用成為供給水稻生長所需氮素的關(guān)鍵過程。土壤有機氮含量及化學(xué)形態(tài)直接影響到氮素的礦化量及礦化速率，決定著土壤的供氮能力。自20世紀(jì)初Fraps等開始研究土壤氮素礦化過程以來，礦化作用一直是廣大研究者的關(guān)注點[7]；開展在不同施肥條件下對土壤礦化作用（礦化參數(shù)與礦化強度等）的研究，其研究結(jié)果有利于預(yù)測稻田土壤的供氮能力，從而根據(jù)土壤供氮特征確定適宜的氮肥施用量。

稻田土壤氮素礦化作用是一個復(fù)雜的過程，土壤是發(fā)生其礦化作用重要的環(huán)境，土壤氮素的形態(tài)、礦化特性與土壤類型、土壤耕作、肥料種類和施肥制度、秸稈還田等農(nóng)田管理措施關(guān)系密切。其中，施肥模式是影響稻田土壤氮素形態(tài)、礦化作用和硝化作用較為關(guān)鍵的因素之一。前人就關(guān)于采取不同施肥模式對土壤氮素形態(tài)、硝化作用和礦化作用特征影響開展了相應(yīng)的研究。在不同施肥方式對土壤氮素形態(tài)的影響方面，BREMNER等[8]采用酸解法將土壤有機氮組分分為氨基糖氮、氨基酸氮、酸解銨態(tài)氮和酸解未知氮，而酸未分解的部分為非酸解性氮。前人研究結(jié)果表明，有機肥、秸稈還田與化肥配合施用均有利于增加稻田土壤氮組分含量[9]；其中，有機肥與化肥配施對于增加土壤氨基酸態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量的效果均明顯優(yōu)于單獨施用化肥處理[3,10]；秸稈還田配施化肥處理能顯著提高稻田土壤氨基酸態(tài)氮和酸解氨態(tài)氮含量，但對土壤氨基糖態(tài)氮和酸解未知氮含量均無顯著的影響[11]。在不同施肥方式對土壤礦化作用特征的影響方面，前人研究結(jié)果認(rèn)為，施用化學(xué)氮肥能刺激土壤硝化作用，短期施用化肥措施條件下對土壤礦化作用無顯著性的影響，而長期施用化肥措施條件下促進了土壤氮的礦化作用[12-13]。施用低C/N的有機肥措施有利于顯著促進土壤中有機氮的礦化作用和硝化作用[14]，而施用C/N較高的作物秸稈措施在短期內(nèi)顯著抑制土壤有機氮的礦化作用和硝化作用[15]。因此，不同肥料的種類、施用方式和施用時間等措施對土壤氮素形態(tài)、硝化作用和礦化作用的影響各異。

2 稻田土壤氨氧化菌、硝化和反硝化菌群功能基因數(shù)量動態(tài)

氨氧化作用是硝化作用的第一步反應(yīng)，也是限速步驟，是土壤氮素轉(zhuǎn)化的中心環(huán)節(jié)[16]。氨氧化細(xì)菌(AOB)主要集中于亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)、亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)[17]。有研究表明，氨氧化古菌(AOA)也具有氨氧化活性[18]?；蚪M分析進一步表明，AOB和AOA在其生理機能和代謝途徑等方面均存在明顯的差異[19]。YANG等[20]研究結(jié)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響。SRITHEP等[18]發(fā)現(xiàn)在2種不同的硝化反應(yīng)條件下，AOA和AOB的amoA基因豐度與潛在的氨氧化作用均存在線性相關(guān)，表明AOA和AOB促進了土壤硝化過程。有機肥和秸稈等易分解的有機物均能明顯促進土壤AOA群落的生長[21]。上述研究結(jié)果進一步證實了AOA具有兼養(yǎng)性或異養(yǎng)性生長特性[17]。關(guān)于反硝化菌研究結(jié)果表明，具有反硝化功能細(xì)菌存在的形式多樣，有些特定種群采用傳統(tǒng)的測定方法無法進行檢測[22]。因此，使用16S rRNA序列開展反硝化菌群落結(jié)構(gòu)研究存在較大的困難，而采用反硝化功能基因開展生態(tài)功能相同但親緣較遠的反硝化菌群落結(jié)構(gòu)研究更為可行。

前人就不同施肥方式條件下土壤硝化和反硝化菌群功能基因數(shù)量動態(tài)的影響開展了相應(yīng)研究，ANTPNIO等[23]研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮水平對氮素轉(zhuǎn)化根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著的影響，其微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤氮素有效性存在密切的關(guān)系。不同施肥方式對根際土壤nirK和nirS的基因豐度具有明顯的影響，施用有機肥顯著增加了根際土壤nirK和nirS基因數(shù)量[24]。也有研究表明，小麥根際土壤nirK、nirS和nosZ基因數(shù)量均顯著高于非根際土壤[25]，根際效應(yīng)是影響土壤氨氧化古菌amoA基因最為關(guān)鍵的影響因素。DUAN等[26]研究發(fā)現(xiàn)，與長期單獨施用化學(xué)肥料處理相比，施用豬糞措施有利于增加稻田土壤中nirK和nosZ數(shù)量，而AOA和nirS數(shù)量在各個施肥處理間均無顯著性差異。

3 土壤氮素轉(zhuǎn)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態(tài)系統(tǒng)中較為重要和活躍的組成部分，它們在土壤物質(zhì)循環(huán)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展過程中均具有十分重要的作用[27]。土壤微生物是反應(yīng)土壤質(zhì)量狀況最為敏感的有效生物學(xué)指標(biāo)，土壤微生物的類群主要可分為細(xì)菌、真菌、放線菌和原生動物等，與土壤氮素轉(zhuǎn)化、有效性和土壤肥力有關(guān)的微生物類群主要有氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、自生固氮菌和纖維素分解菌等[17,28]。前人就不同施肥方式對稻田土壤氮素轉(zhuǎn)化微生物數(shù)量和胞外酶活性影響開展了相應(yīng)的研究，研究結(jié)果表明，連續(xù)采取秸稈還田和施用有機肥均有利于增加土壤微生物生物量氮含量，土壤微生物活性明顯增強[29]。同時，有機肥與化肥合理配施有利于增加土壤固氮菌、纖維素分解菌數(shù)量；可顯著增強纖維素分解強度，促進土壤有機質(zhì)分解，有利于培肥土壤[30]。有研究結(jié)果表明，施用有機肥或有機無機肥配施均能顯著增加土壤硝化細(xì)菌、氨化細(xì)菌和自生固氮菌數(shù)量[27]。但也有研究表明，單獨施用化肥條件下土壤硝化細(xì)菌、固氮菌和纖維分解菌數(shù)量均高于無肥處理，而土壤反硝化細(xì)菌和氨化細(xì)菌數(shù)量均低于無肥處理[2]。

土壤胞外酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組分之一，它反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)中根際土壤微生物參與氮素轉(zhuǎn)化的能力，其活性可作為評價土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和土壤肥力改變的重要指示指標(biāo)[31]。土壤中許多胞外酶（土壤固氮酶、脲酶、芳基酰胺酶、β-葡糖苷酶、過氧化氫酶）與微生物呼吸、微生物種類及數(shù)量以及土壤氮含量、有效性等關(guān)系密切[12,15,31]。土壤胞外酶活性的變化與所采用的肥料種類、施肥方式等管理措施關(guān)系密切，前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與不施肥對照相比，各施肥處理均有不同程度地提高土壤氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性（土壤固氮酶、脲酶、β-葡糖苷酶和芳基酰胺酶），其中以秸稈還田、有機肥配施化肥的效果最為明顯[32]。ULLAH等[33]發(fā)現(xiàn)施用化肥可以增加土壤過氧化氫酶活性。但也有研究結(jié)果表明，有機無機肥配施有利于提高土壤脲酶、固氮酶的活性，對土壤過氧化氫酶的影響較小[34-35]。在土壤酶活性與土壤養(yǎng)分因子之間相關(guān)性分析研究方面，MIAO等[36]研究認(rèn)為，土壤脲酶活性與土壤各養(yǎng)分因子（全氮、堿解氮、有效磷）均呈顯著或極顯著正相關(guān)；除堿解氮外，土壤過氧化氫酶活性與其余各養(yǎng)分因子均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。WU等[28]研究結(jié)果表明，土壤脫氫酶活性與多數(shù)土壤理化特性因子均存在顯著和極顯著正相關(guān)關(guān)系。

4 土壤氮素轉(zhuǎn)化微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性

微生物群落組成是影響土壤氮轉(zhuǎn)化、有效性十分重要的因素，不同的施肥措施通過影響土壤的物理和化學(xué)環(huán)境，從而影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性，國內(nèi)外有研究者對土壤微生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化開展了相應(yīng)的研究。其中，硝化與反硝化菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析有助于我們對土壤氮素地球化學(xué)循環(huán)的進一步了解[23]。隨著第二代高通量測序技術(shù)的成熟和快速發(fā)展，應(yīng)用該技術(shù)開展環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)的研究，對實現(xiàn)微生物資源利用等方面均具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義[17]。在應(yīng)用高通量測序技術(shù)開展不同施肥方式對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性影響方面，有研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥條件下土壤氮素代謝過程中 以 真 菌 Sordariocetes，細(xì) 菌 Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Betaproteobacteria、Deltaproteobacteria和 Gammaproteobacteria，古細(xì)菌 Thaumarcheota和Halobacteria為主[37]。Chen等[5]研究結(jié)果表明，長期單獨施用化肥降低了土壤中與多糖分解和氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的特定細(xì)菌類群（Chitinophagaceae和Nitrospiraceae）。LIAN等[38]研究13C標(biāo)記的大豆根際土壤發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記的根際土壤中具有豐富的Aquincola、Amycolatopsis、Dechloromonas和Massilia等。LI等[39]研究發(fā)現(xiàn)，長期施用有機肥顯著增加了土壤硝化菌的豐度、氨氧化菌amoA基因拷貝數(shù)，促進了土壤中Nitrospira和Nitrobacter菌群之間的耦合聯(lián)系，有利于形成聯(lián)系更緊密的微生物群落。TONG等[40]研究結(jié)果表明，有機肥處理顯著降低了所有土壤團聚體中細(xì)菌群落的相對豐度，顯著增加了土壤微團聚體中真菌群落的相對豐度。徐白璐等[41]發(fā)現(xiàn)，施用有機肥能顯著增加土壤AOA和AOB amoA基因絕對豐度及16S rRNA基因相對豐度，而無肥和施用化學(xué)肥料處理提高了土壤AOA的相對豐度。

5 展望

在不同的施肥條件下土壤氮礦化、氮素有效性與有機氮組分關(guān)系密切，探明有機氮組分對氮礦化的貢獻規(guī)律，有利于為采取科學(xué)合理的施肥措施提供理論依據(jù)。綜上所述，有機無機肥配施有利于提高土壤有機氮組分的微生物利用性、土壤的氮供給，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際過程中，采用有機無機肥配施是提高稻田土壤肥力的有效管理措施。