施肥模式對(duì)稻田土壤微生物影響的研究進(jìn)展

唐海明，肖小平，湯文光，李 超，汪 柯，李微艷，黃 玲，程凱凱，孫 耿

（湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

施肥模式對(duì)稻田土壤微生物影響的研究進(jìn)展

唐海明，肖小平，湯文光，李 超，汪 柯，李微艷，黃 玲，程凱凱，孫 耿

（湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

綜述了長(zhǎng)期施肥條件下不同施肥模式對(duì)土壤微生物的生物量、酶活性、群落結(jié)構(gòu)和多樣性4個(gè)方面的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用有利于維持和增加作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性；同時(shí)，也探討了利用現(xiàn)代分子生物學(xué)方法研究土壤微生物多樣性的進(jìn)展及其應(yīng)用前景，其研究結(jié)果可為作物高效生產(chǎn)、養(yǎng)分高效利用及農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展等提供理論指導(dǎo)。

稻田；長(zhǎng)期施肥；土壤微生物；群落結(jié)構(gòu)；多樣性；綜述

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組分之一[1]，它參與了土壤結(jié)構(gòu)的形成、有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化、有毒物質(zhì)的降解以及碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）循環(huán)等過(guò)程[2]，對(duì)土壤肥力的形成和植物營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化起著積極的作用[3]，能敏感地反映土壤質(zhì)量的變化，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中重要的指標(biāo)之一[4-5]。稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性與各個(gè)區(qū)域的氣候條件、種植制度、土壤類型、土壤耕作方式和施肥模式等關(guān)系密切，其中不同的施肥模式是影響稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的關(guān)鍵因素之一。

土壤微生物對(duì)于土壤質(zhì)量和植物營(yíng)養(yǎng)均具有重要的影響，土壤微生物變化與土壤環(huán)境之間的關(guān)系密切；長(zhǎng)期定位施肥大田試驗(yàn)持續(xù)年限至少應(yīng)在10 a以上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)可透徹地認(rèn)識(shí)作物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性的變化過(guò)程，其試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和指導(dǎo)性明顯優(yōu)于短期試驗(yàn)。因此，開展長(zhǎng)期定位施肥條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的變化特征及其對(duì)不同施肥處理的響應(yīng)機(jī)制的研究，闡明根際微生物在稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的作用，揭示不同施肥條件下根際微生態(tài)碳循環(huán)的機(jī)制，對(duì)作物高效生產(chǎn)、養(yǎng)分高效利用和促進(jìn)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展等均具有重要的指導(dǎo)意義。

1 土壤微生物生物量與施肥的關(guān)系

土壤微生物生物量對(duì)土壤養(yǎng)分和植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分來(lái)源均具有明顯的影響[6]。外界環(huán)境條件、施肥措施以及耕作制度等均會(huì)影響土壤微生物對(duì)碳和氮的積累，而土壤微生物對(duì)土壤環(huán)境因子的變化較為敏感，土壤環(huán)境中細(xì)小變化均會(huì)引起其活性的變化[7-9]。Plaza等[10]研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥可明顯提高土壤微生物中碳、氮的含量，并提高土壤的酶活性，且這些作用與有機(jī)肥施用量呈正相關(guān)關(guān)系。施用化學(xué)肥料（氮、磷、鉀）也有利于增加土壤微生物量，但其施用量有一個(gè)閾值，超過(guò)該閥值，繼續(xù)增加化肥施用量，土壤微生物量含量將隨之減少[11]。有研究表明，有機(jī)肥和秸稈還田（特別是綠肥和禾本科作物秸稈還田）均能提高土壤微生物量[12]，化肥配施有機(jī)肥、秸稈還田均能顯著提高土壤微生物中的碳、氮含量[13-15]。配施有機(jī)肥能促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖，可以為微生物提供合適的氮源，發(fā)揮微生物活性源和庫(kù)的作用[14,16]，從而為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供充足的養(yǎng)分。卜洪震等[13]研究表明，長(zhǎng)期施用化肥、秸稈還田和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施，有利于增加土壤微生物量碳含量，并豐富土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。唐海明等[17]和徐一蘭等[18]的研究結(jié)果均表明，長(zhǎng)期聯(lián)合施用有機(jī)無(wú)機(jī)肥可以提高大麥和水稻各個(gè)主要生育時(shí)期雙季稻田土壤微生物的碳、氮含量和微生物熵，以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)稻田土壤培肥效果為最佳?？偟膩?lái)說(shuō)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥的施肥模式下有利于增加作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中土壤微生物量碳氮含量。

2 土壤酶活性與施肥的關(guān)系

酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分之一，反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物參與物質(zhì)循環(huán)的能力，土壤中各種酶的活性與土壤微生物的數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)均有密切關(guān)系[19]。酶活性可作為評(píng)價(jià)土壤生態(tài)環(huán)境和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[20]。土壤中大部分酶的活性與土壤微生物數(shù)量及結(jié)構(gòu)、有機(jī)碳含量之間存在相關(guān)關(guān)系[21]。由于各個(gè)區(qū)域的氣候因素、土壤種類、作物類型、土壤耕作方式、施肥模式等有所差異，不同施肥模式對(duì)稻田土壤酶活性影響的結(jié)論各異。同時(shí)有研究結(jié)果表明，土壤脫氫酶是土壤微生物活性的一個(gè)有效指標(biāo)，土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶等酶活性能夠表征土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分的循環(huán)狀況[22]。Bachmann等[1]研究認(rèn)為，氮、磷、鉀肥合理配施或調(diào)節(jié)土壤C/N均能促進(jìn)土壤脲酶和蔗糖酶的活性，但其對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響結(jié)論各異。Tang等[23]研究表明，長(zhǎng)期施肥使得雙季稻田水稻各主要生育時(shí)期部分土壤酶活性存在明顯的差異。徐一蘭等[24]認(rèn)為，長(zhǎng)期施肥增加了雙季稻田部分具有特殊生理功能的土壤微生物數(shù)量，并提升了其酶活性，其中以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的效果最為明顯。土壤酶活性易受不同施肥模式的影響，有機(jī)無(wú)機(jī)肥的施肥模式是增加土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)酶活性的有效措施。

3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與施肥的關(guān)系

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其多樣性與土壤生態(tài)環(huán)境的變化關(guān)系密切，其變化特征可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤肥力的有效生物學(xué)指標(biāo)[25]。土壤微生物多樣性受較多因素的影響，如土壤類型和作物種類、耕作措施和施肥制度等，其中不同施肥制度是重要的影響因素之一[26]。已有研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施肥條件下土壤細(xì)菌、固氮菌數(shù)量易受土壤養(yǎng)分的影響，土壤真菌、放線菌數(shù)量受土壤養(yǎng)分的影響較小[4]。徐萬(wàn)里等[27]研究認(rèn)為，土壤細(xì)菌和真菌與土壤養(yǎng)分含量關(guān)系密切，而放線菌與土壤養(yǎng)分含量關(guān)系不緊密。研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥或功能型生物有機(jī)肥時(shí)，土壤微生物的數(shù)量和活性明顯增加，土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)也有所變化[10]；與單施化肥相比，施用有機(jī)肥、秸稈還田配施化肥以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理均有利于增加土壤微生物數(shù)量，并提高其活性[28-29]。Sapp等[30]研究顯示，施用有機(jī)-無(wú)機(jī)肥對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響。因此，有機(jī)無(wú)機(jī)肥的施肥模式下有利于改善作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)期施肥條件下，作物各主要生育時(shí)期稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的研究結(jié)果，可科學(xué)評(píng)價(jià)稻田土壤生境系統(tǒng)的健康質(zhì)量，從而建構(gòu)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的稻田土壤生態(tài)環(huán)境。

4 土壤微生物多樣性與施肥的關(guān)系

長(zhǎng)期施入化學(xué)氮肥降低了土壤微生物的活性，施用糞肥和植物殘?bào)w等有機(jī)肥有利于維護(hù)土壤肥力和土壤微生物生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定[31]。研究表明，秸稈還田和有機(jī)肥配合施用均有利于增加土壤微生物多樣性、改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[31]。Li等[32]研究結(jié)果認(rèn)為，施肥措施增加了稻田土壤微生物功能多樣性。Sarathchandra等[33]研究結(jié)果表明，施用化學(xué)氮肥和磷肥對(duì)土壤微生物多樣性沒(méi)有顯著影響。Jangid等[34]則認(rèn)為施用無(wú)機(jī)肥和禽類糞肥能有效改變土壤細(xì)菌群落，其中施用無(wú)機(jī)肥的處理細(xì)菌群落多樣性水平高于施用禽類糞肥的處理。Sun等[35]的試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)肥處理土壤微生物群落多樣性與化肥處理的差異明顯。Guo等[36]認(rèn)為通過(guò)調(diào)整尿素施肥技術(shù)顯著改變了土壤細(xì)菌和氨氧化細(xì)菌（AOB）結(jié)構(gòu)。Hussain等[37]研究認(rèn)為，土壤環(huán)境的變化對(duì)水稻根際土壤nirK和amoA基因數(shù)量均具有顯著的影響。不同的施肥處理對(duì)高粱根際土壤nirK和nirS基因豐度具有明顯的影響，其中施用有機(jī)肥有利于增加根際土壤nirK和nirS基因數(shù)量[38]。Hamonts等[39]研究認(rèn)為，不施氮肥和淹水處理均能減少小麥根際與非根際間土壤nirK、nirS和nosZ基因數(shù)量的差異。唐海明等[40]研究了不同施肥措施對(duì)雙季稻田水稻根際土壤微生物功能多樣性的影響，結(jié)果表明長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施有利于維持稻田根際土壤微生物群落的多樣性。總的來(lái)說(shuō)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥的施肥模式下有利于維持和增加作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性。

5 土壤微生物多樣性的研究方法

目前，開展土壤微生物多樣性測(cè)定的方法主要有稀釋平板法、磷脂脂肪酸分析法（phosphor lipid fatty acids，PLFAs）、Biolog微平板分析法和分子生物技術(shù)方法等。Biolog微平板分析法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于不同土壤類型、作物種類、施肥模式和田間管理措施等條件下的土壤微生物群落功能多樣性研究[41]。Chen等[42]運(yùn)用PLFAs方法分析了秸稈還田對(duì)土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。由于變性梯度凝膠電泳技術(shù)（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE）在研究自然界微生物群落的遺傳多樣性和種群差異方面具有明顯的優(yōu)越性，所以在研究土壤微生物種群多樣性以及監(jiān)測(cè)種群動(dòng)態(tài)時(shí)也常應(yīng)用該技術(shù)，由此極大地促進(jìn)了微生物生態(tài)學(xué)的發(fā)展[43]。

近年來(lái)，為了克服傳統(tǒng)方法對(duì)土壤微生物研究的局限，學(xué)者們采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR（Real-time PCR）和DGGE技術(shù)從分子水平開展了土壤微生物多樣性的研究[44]。Cattaneo等[45]應(yīng)用PCR-DGGE方法研究發(fā)現(xiàn)玉米-大麥輪作系統(tǒng)中稻田土壤酶與全氮具有相關(guān)性。Beauregard等[46]通過(guò)PLFAs和DGGE相結(jié)合的技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用磷肥可改變某些特異性細(xì)菌及真菌的密度，從而改變土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)。Kelly等[47]和Monteiro等[48]應(yīng)用Real-time PCR技術(shù)證明有機(jī)肥料的施用有利于促進(jìn)土壤AOB和氨氧化古細(xì)菌（AOA）的種群密度。

采用第二代高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)環(huán)境微生物進(jìn)行深度測(cè)序，能夠靈敏地分析微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境改變而發(fā)生的響應(yīng)機(jī)制，其研究結(jié)果對(duì)探明微生物群落結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境間的關(guān)系以及實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用等具有十分重要的意義。目前，高通量測(cè)序平臺(tái)以ABI公司的SoLid、Roche公司的454和Illumina公司的Solexa、Hiseq2000/2005和Miseq技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，其中Roche公司的454和Illumina公司的Miseq技術(shù)具備測(cè)序片段長(zhǎng)的有點(diǎn)，其測(cè)序結(jié)果不需要拼接可直接應(yīng)用于微生物分子生態(tài)學(xué)的研究[49]。研究表明，采用高通量測(cè)序技術(shù)研究根際土壤微生物多樣性所獲得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用傳統(tǒng)的分離計(jì)數(shù)法及DGGE等其他分子生物技術(shù)所獲得的數(shù)量[50]；Buee等[51]研究表明，土壤真菌的數(shù)量和多樣性高于事先的假設(shè)，其中少數(shù)真菌種類所占的比例較大。Arenz等[6]通過(guò)高通量測(cè)序結(jié)果表明，種植黑麥后，增加了土壤alpha多樣性，減少了beta多樣性。鄭燕等[52]對(duì)3種紅壤稻田甲烷好氧氧化菌高通量測(cè)序結(jié)果表明，甲烷好氧氧化菌占土壤整體微生物群落的豐度顯著增加，RNA水平的增幅顯著高于DNA水平，更加靈敏地反映了土壤中甲烷好氧氧化的微生物過(guò)程。因此，將PCRDGGE與高通量測(cè)序等技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行土壤微生物類群和功能關(guān)系的深度分析，其研究結(jié)果有利于揭示不同施肥模式條件下作物生育期參與根際碳、氮等轉(zhuǎn)化的微生物學(xué)機(jī)理。

6 總結(jié)和展望

土壤微生物和土壤酶活性均是土壤生態(tài)系統(tǒng)中較為重要和活躍的組成部分，它們?cè)谕寥牢镔|(zhì)循環(huán)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中有十分重要的作用，是反映土壤肥力的有效生物學(xué)指標(biāo)，與土壤的肥力水平關(guān)系密切。土壤微生物數(shù)量和酶活性易受不同施肥管理措施的影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用是增加作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中土壤微生物數(shù)量、提高土壤酶活性和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的有效措施，從而為作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：成 平）

Advances in the Effects of Fertilization Practices on Microorganism in the Paddy Soil

TANG Hai-ming，XIAO Xiao-ping，TANG Wen-guang，LI Chao，WANG Ke，LI Wei-yan，HUANG Ling，Cheng Kai-kai，SUN Geng
（Hunan Soil and Fertilizer Research Institute, Changsha 410125, PRC）

The research progress of microbial community structure and diversity in paddy soil under long-term fertilization practices was reviewed, the results showed that soil microbial quantity, soil enzyme activity, soil microbial community structure and diversity were increased under combined application of organic and inorganic fertilizer practices condition. Meanwhile, the development and application prospect of modern molecular biology methods for soil microbial community structure and diversity were also discussed in the present paper. Therefore, the results provide theoretical support for increase crop production, soil nutrients use and sustainable development of paddy fi eld in agricultural production.

paddy fi eld; long-term fertilizer practices; soil microbes; communities structure; diversity; review

S154.36

：A

：1006-060X（2017）08-0119-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.031

2017-05-13

國(guó)家自然科學(xué)基金（31571591、31201178）；湖南省自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目（2017JJ1018）

唐海明（1980-），男，湖南江永縣人，副研究員，主要從事耕作生態(tài)和農(nóng)作制研究。