最近，派森諾生物與中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所合作，再次在土壤學(xué)老牌期刊《Soil Biology & Biochemistry》（最新影響因子4.857）發(fā)表論文，以25年長(zhǎng)期定位施肥的湖南祁陽(yáng)紅壤作為研究對(duì)象，探究不同施肥處理下土壤的理化性質(zhì)及固氮菌菌群豐度、群落結(jié)構(gòu)的差異。
研究背景
紅壤是一種酸性土壤，在中國(guó)長(zhǎng)江以南分布較廣，因其貧瘠的肥力，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展，而施肥作為一種能夠快速、高效提高土壤肥力的手段得到廣泛應(yīng)用。幾十年來(lái)，隨著氮磷鉀無(wú)機(jī)肥的大量使用（尤其是氮肥），土壤的肥力和作物產(chǎn)量得到大幅提升的同時(shí)，也帶來(lái)了土壤酸化、金屬毒性、溫室效應(yīng)、地下水污染等環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響了土壤質(zhì)量、農(nóng)作物成長(zhǎng)及土壤微生物的多樣性。減少無(wú)機(jī)肥的使用、保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，勢(shì)在必行。
生物固氮，是指固氮微生物以自生固氮、共生固氮和聯(lián)合固氮的形式將大氣中的氮?dú)饣癁榘钡倪^(guò)程。生物固氮在提高農(nóng)作物產(chǎn)量、降低化肥使用量、減少水土污染、保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、降低能源消耗等方面具有重要作用。可緩解和減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期和大量依賴(lài)工業(yè)氮肥所造成的能源和環(huán)境問(wèn)題。
因此，探究長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥對(duì)土壤中固氮菌豐度和群落結(jié)構(gòu)的影響，具有重要意義。
研究目的
1、探究長(zhǎng)期無(wú)機(jī)肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)、固氮菌豐度和群落結(jié)構(gòu)的影響，及其內(nèi)在聯(lián)系；
2、評(píng)估長(zhǎng)期無(wú)機(jī)肥處理對(duì)土壤中作物根際效應(yīng)的影響；
3、檢驗(yàn)生石灰的施用是否能夠增加酸性土壤中固氮菌的含量。
研究方法
測(cè)序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)
測(cè)序模式：微生物組功能基因nifH區(qū)測(cè)序
實(shí)驗(yàn)對(duì)象：經(jīng)過(guò)25年定位施肥的湖南祁陽(yáng)紅壤試驗(yàn)田（該試驗(yàn)田自1990年開(kāi)始進(jìn)行夏玉米-冬小麥輪作）
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：2015年6月12日（玉米開(kāi)花時(shí)節(jié)）開(kāi)始采樣，以下處理各3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。
研究結(jié)果
1． 不同施肥處理下的玉米產(chǎn)量和土壤性質(zhì)
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用氮肥（N）會(huì)顯著減少玉米產(chǎn)量，而磷鉀肥（PK）的施用則能夠使玉米產(chǎn)量增加，且在加入生石灰后，玉米產(chǎn)量再次大幅提升。
土壤生理生化特性測(cè)定結(jié)果表明，在根際土中，有機(jī)碳（SOC）、溶解性碳（DOC）、溶解性氮（DON）的含量比非根際土高，而銨態(tài)氮（NH4+ -N）、硝態(tài)氮（NO3- -N）、有效磷（AP）和有效鉀（AK）則較低。N、PK、NPK的PH值顯著低于CK、NCa、NPKCa，N組和NPK組PH值最低。PK、NPK、NPKCa的總碳（TC）、有機(jī)碳（SOC）、溶解性碳（DOC）含量高于CK、N、NCa。在施用了氮肥的N、NCa、NPK、NPKCa中，銨態(tài)氮（NH4+ -N）、硝態(tài)氮（NO3- -N）、總氮（TN）的含量比CK、PK高，除了NPKCa中的NH4+ -N和NO3- -N。在施用了磷鉀肥的處理組中，AK和AP的含量較高。除了NCa，在其他施用氮肥的處理組中，C/N的比例較低。DON含量在CK、N、PK、NPK中未表現(xiàn)出顯著差異。
2.nifH的基因拷貝數(shù)及其與土壤性質(zhì)的聯(lián)系
熒光定量PCR結(jié)果表明，施肥處理和根際效應(yīng)均對(duì)nifH基因拷貝數(shù)產(chǎn)生了顯著影響。其中，各處理根際土的nifH基因拷貝數(shù)顯著高于非根際土。對(duì)于不同施肥處理組，PK、NPKCa的nifH基因拷貝數(shù)顯著高于對(duì)照組，而施用了N肥的N、NPK則低于對(duì)照組。生石灰的加入減輕了由于N肥施用引起的對(duì)nifH基因的抑制作用。
皮爾森關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示，在非根際土中，nifH基因拷貝數(shù)與PH、C/N、AP呈正相關(guān)，與NH4+ -N、NO3- -N呈負(fù)相關(guān)；在根際土中，nifH基因拷貝數(shù)與PH、C/N、AP呈正相關(guān)，與NH4+ -N、NO3- -N呈負(fù)相關(guān)；在所有樣品中，nifH基因拷貝數(shù)與PH、C/N、SOC、DOC、DON呈正相關(guān)，與NH4+ -N、NO3- -N呈負(fù)相關(guān)。
3.固氮菌群落結(jié)構(gòu)分析
對(duì)不同施肥處理樣本的nifH基因進(jìn)行高通量測(cè)序，得到107039條優(yōu)質(zhì)序列，基于優(yōu)質(zhì)序列進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。NMDS分析和樹(shù)狀圖聚類(lèi)分析結(jié)果顯示，CK和PK的根際土和非根際土樣本間距離較近，群落結(jié)構(gòu)較為相似；N和NCa的根際土和非根際土較為相似；NPK和NPKCa較為相似。ANOSIM分析結(jié)果顯示，無(wú)氮肥添加的CK、PK與氮肥添加組N、NCa、NPK、NPKCa的菌群組成具有顯著差異，但根際土和非根際土的樣本間無(wú)顯著差異。因此，可得出結(jié)論：施肥處理對(duì)土壤中微生物菌群組成及群落結(jié)構(gòu)的影響要遠(yuǎn)大于根際效應(yīng)及是否添加生石灰。
4． 不同施肥處理下固氮菌的相對(duì)豐度差異
OTU劃分結(jié)果顯示，所有處理組的OTU豐度均顯著低于對(duì)照組。N、PK、NPK、NPKCa的OTU豐度無(wú)顯著差異，意味著生石灰的加入并未顯著改善氮肥的施加造成的OTU豐度降低。
物種分類(lèi)組成分析結(jié)果顯示，在屬水平，Bradyrhizobium的相對(duì)豐度最具優(yōu)勢(shì)。較之于CK，N和NPK中Methylosinus的相對(duì)豐度顯著增加，而Bradyrhizobium、 Rhodopseudomonas、Xanthobacter和 Caenispirillum顯著降低。生石灰的加入，使NCa、NPKCa中Bradyrhizobium的相對(duì)豐度較N、NPK有所增加。在PK組中，Bradyrhizobium 和Azovibrio的豐度有所降低，但Rhodopseudomonas、Caenispirillum和Phaeospirillum有所增加。
5.固氮菌群落結(jié)構(gòu)與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系
RDA分析結(jié)果顯示，CK、PK的固氮菌相對(duì)豐度與土壤PH呈正相關(guān)，PK與C/N、AK呈正相關(guān)；NPK與TC、SOC、DOC呈正相關(guān)；N、NCa與NH4+ -N、NO3- -N呈正相關(guān)。
總結(jié)
本文通過(guò)對(duì)中國(guó)南部酸性土壤進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)25年的不同施肥處理，發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)肥中N元素對(duì)土壤中固氮菌菌群的影響大于P和K；氮肥的長(zhǎng)期施用會(huì)降低土壤中固氮菌相對(duì)豐度，削弱土壤生物固氮強(qiáng)度；而生石灰的施用則能夠通過(guò)增加土壤中固氮菌含量提高生物固氮；適度、營(yíng)養(yǎng)均衡的施肥方式及控制土壤酸度對(duì)生物固氮具有重要影響；對(duì)于土壤中固氮菌群落組成的影響，施肥處理遠(yuǎn)大于根際效應(yīng)。
本研究的測(cè)序工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引：Wang C, Zheng M, Song W, et al. Impact of 25 years of inorganic fertilization on diazotrophic abundance and community structure in an acidic soil in southern China[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 113: 240-249.
點(diǎn)擊鏈接，閱讀原文：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071717304017
