研究揭示長期施肥抑制根際微生物固氮的作用機制

　　生物固氮是地球上最重要的生態過程之一，在農田生態系統中，作物總生物量中大約24%的氮來源于微生物的非共生固氮過程。根際是農田土壤中微生物最為活躍的區域，根際中固氮微生物群落與作物的生長息息相關。然而，長期以來，大量化肥及有機物料的投入大大降低了農田土壤微生物的固氮作用。近年來，土壤固氮功能微生物的研究主要集中在固氮菌群落及其影響因素，然而，對長期施肥抑制根際微生物固氮的作用機制鮮有研究。最近，中國科學院南京土壤研究所研究員褚海燕課題組基于安徽蒙城35年長期定位施肥實驗平臺（設置不施肥、單施NPK肥、NPK+秸稈、NPK+豬糞、NPK+牛糞等五種不同處理），利用高通量測序與ARA固氮活性測定技術，研究了長期不同施肥管理對小麥根際固氮活性及其相關功能微生物的影響機制。

　　研究發現，長期的不同施肥管理均大幅度降低了根際與非根際土壤的固氮活性（50%）。通過共存關系網絡與隨機森林模型分析，識別了與固氮活性最密切相關的關鍵微生物集群，其主要由寡營養型的地桿菌（Geobacter spp）占優勢。系統發育信號分析發現這些關鍵固氮微生物菌群在長期不施肥的環境下是系統發育聚集的，而施肥導致其系統發育呈現隨機性狀態，表明長期施肥管理下的土壤環境已不能主動選擇與固氮活性密切相關的關鍵固氮菌群，由此造成土壤固氮功能的不可逆丟失。進一步通過結構方程模型解析長期不同施肥影響固氮活性的機制：施肥既能直接影響土壤固氮活性，也能通過影響土壤理化性質與固氮菌群落間接影響土壤固氮活性；其中，根際效應的負反饋作用造成了根際固氮活性的進一步降低。該研究耦合根際土壤固氮過程與關鍵固氮菌集群，從系統發育機制上解析了長期施肥抑制根際特定固氮菌集群的生長與功能，為集約化農業背景下土壤生物多樣性保護及生態系統功能發揮提供科學依據。研究成果發表在國際期刊Microbiome上，博士生范坤坤為論文第一作者，研究員褚海燕為論文通訊作者。

　　該研究得到西班牙阿利坎特大學、安徽省農科院土壤肥料研究所、中科院城市環境研究所的合作，以及國家自然科學基金、中科院B類先導專項“土壤—微生物系統功能及其調控”的資助。同時，在中科院南京分院“科學探究活動”項目的支持下南京師范大學附屬中學三位同學也參與了部分工作。