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南京土壤所揭示長期施肥抑制根際微生物固氮的作用機制

2019-11-04 分享到:

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爲活躍的區域,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,南京土壤研究所褚海燕研究員課題組基于安徽蒙城35年長期定位施肥實驗平台(設置不施肥、單施NPK肥、NPK+稭稈、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。

研究发现,长期的不同施肥管理均大幅度降低了根际与非根际土壤的固氮活性(50%)。通过共存关系网络与随机森林模型分析,识别了与固氮活性最密切相关的关键微生物集群,其主要由寡营养型的地杆菌(Geobacter spp)占优势。系统发育信号分析发现这些关键固氮微生物菌群在长期不施肥的环境下是系统发育聚集的,而施肥导致其系统发育呈现随机性状态,表明长期施肥管理下的土壤环境已不能主动选择与固氮活性密切相关的关键固氮菌群,由此造成土壤固氮功能的不可逆丢失。进一步通过结构方程模型解析长期不同施肥影响固氮活性的机制:施肥既能直接影响土壤固氮活性,也能通过影响土壤理化性质与固氮菌群落间接影响土壤固氮活性;其中,根际效应的负反馈作用造成了根际固氮活性的进一步降低。该研究耦合根际土壤固氮过程与关键固氮菌集群,从系统发育机制上解析了长期施肥抑制根际特定固氮菌集群的生长与功能,为集约化农业背景下土壤生物多样性保护及生态系统功能发挥提供科学依据。研究成果发表在国际知名期刊Microbiome上,博士生范坤坤为論文第一作者,褚海燕研究员为論文通讯作者。

该研究得到了西班牙阿利坎特大学、安徽省农科院土壤肥料研究所、中科院城市环境研究所的合作,以及国家自然科学基金、中國科學院B类先导专项“土壤—微生物系统功能及其调控”的资助。同时,在中國科學院南京分院“科学探究活动”项目的支持下南京师范大学附属中学三位同学也参与了部分工作。

文章鏈接

 

  圖1:A)長期不同施肥管理下土壤固氮活性;B)固氮菌群落生態模塊;C)生態模塊中優勢菌群的系統發育

圖2:結構方程模型解析長期不同施肥對根際固氮活性及其相關固氮微生物類群的影響機制

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