不同施肥制度對南方旱地紅壤微生物組結構和功能影響研究進展

荀衛兵，王伯仁，冉煒，沈其榮，徐明崗，張瑞福,5*

（1.南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇省固體有機廢棄物資源化高技術研究重點實驗室，南京 210095；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，祁陽農田生態系統國家野外科學觀測研究站，湖南 祁陽 426182；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；4.中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091；5.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業農村部農業微生物資源收集與保藏重點實驗室，北京 100081）

紅壤是我國南方重要的耕地資源，約占全國總耕地面積的四分之一，其中第四紀紅色黏土發育的紅壤分布最廣。紅壤區處于亞熱帶，年平均氣溫16～25 ℃，降雨量1 000～2 000 mm，水熱資源豐富，具有巨大的生產潛力[1]。然而，紅壤有機質含量低、酸性強、基礎肥力低、黏重板結、保水保肥性能差，加上多年來不合理開發利用，導致紅壤耕地微生物活性弱、多樣性低，嚴重制約了紅壤區的農業發展[2]。因此，采用植樹造林減少水土流失、施用石灰降低紅壤酸性、增施有機肥提高有機質積累等多種土壤改良措施以增強紅壤可耕性、提高紅壤生產力是實現農業綠色發展的關鍵。其中，科學施肥是對土壤肥力和作物產量影響最大、最直接的改良措施，合理施肥能有效改善土壤條件，為作物高產穩產提供良好的基礎，實現用地與養地相結合的可持續發展目標。

土壤生物是土壤生態系統的核心，土壤微生物組是土壤生物的重要組成部分，其結構和功能演替可以敏感地反映土壤質量變化、表征土壤有機碳周轉強度和元素循環效率，是評價土壤質量的主要指標之一。土壤微生物組在土壤有機物質轉化與分解、營養元素循環與利用、土傳病害抑制或拮抗等方面起著重要的作用，是土壤肥力的關鍵驅動因子之一，也是土壤生物肥力的主要貢獻者[3]，因此其結構和功能多樣性信息對于揭示科學施肥措施與土壤肥力和作物生產力提高的作用機制具有重要意義[4]。多年來，我國紅壤培肥措施與微生物組的研究大多以揭示有機培肥對紅壤肥力和微生物活性具有積極作用的描述性結果為主[5–8]，缺乏對提高紅壤肥力的微生物學機制的探究。近幾年，組學分析技術的迅速發展，使我們能夠比較全面地分析土壤微生物組的結構和功能特征，闡明提高紅壤肥力的微生物學機制。本文綜述了長期施用化肥、有機肥和有機無機配施等不同施肥制度對我國南方旱地紅壤微生物組結構和功能的影響，總結了不同施肥制度驅動微生物群落結構和功能演替、影響紅壤有機碳周轉和氮磷養分有效性的研究進展，旨在為開展科學施肥提高紅壤肥力的微生物學機制的深入研究提供參考，并提出了今后紅壤微生物組研究的重點方向。

1 紅壤微生物群落結構的驅動因素

土壤微生物組在維持土壤肥力、促進土壤養分循環和增強有機碳固定能力等方面具有重要的作用。影響土壤微生物群落結構的因素很多，如施肥制度變更、土壤類型（成土母質）不同、植被類型改變、外源微生物接種或入侵都會對土壤微生物群落結構產生一定的影響[8]。其中，土壤類型和施肥制度主要通過影響土壤物理化學性狀驅動土壤微生物群落結構演替，而植被類型和外源微生物主要通過影響土壤生物間的相互作用關系改變土壤微生物群落結構[9]。

1.1 施肥制度

自然條件下，土壤元素循環維持動態平衡，而在集約化耕作的農田生態系統中，施肥是快速補充土壤養分的重要途徑。有機類肥料和化肥都能為作物提供養分，但不同肥料的形態不同，在土壤中轉化吸收的微生物過程也不同，因此長期施用不同肥料對土壤性質和微生物群落結構及功能的影響不同，對土壤肥力變化也起著不同的作用[10]。中國農業科學院祁陽農業生態系統國家野外試驗站不同施肥措施對旱地紅壤肥力影響的長期定位試驗，是針對中國南方分布最廣的第四紀紅色黏土發育的紅壤開展的，具有很強的代表性。長期配施有機肥和撂荒的紅壤有機質含量較高，土壤酶活性和細菌群落多樣性均維持較高的水平，作物產量較高；而長期施用含氮化肥但不配施有機肥會導致紅壤pH 值降低、土壤有機質含量和酶活性下降，細菌群落多樣性也顯著降低[11]。劉佳等[5]研究也表明，長期施用含氮化肥但不配施有機肥導致紅壤pH 值降低是紅壤細菌群落差異的主要驅動因素。另外，長期不施肥和僅施用磷鉀化肥的紅壤雖然沒有發生嚴重的酸化現象，但是長期不均衡施肥導致土壤有效養分失衡，生產力下降。Chen等[12]還發現長期施用有機肥能顯著增加紅壤噬菌體數量和多樣性，而長期施用含氮化肥則會降低噬菌體數量和多樣性，這與不同施肥制度對紅壤細菌數量和群落多樣性影響的趨勢是一致的。

針對長期施用含氮化肥但不配施有機肥造成嚴重酸化的紅壤，該試驗點還開展了酸化紅壤的改良試驗，主要包括施用石灰改良和有機肥改良。研究發現短期石灰改良可以迅速提高酸化土壤pH 值，使小麥增產193.7%；而短期有機肥改良可以增加土壤有機質含量和養分有效性，使小麥增產169.2%，該結果表明兩種改良方式都能顯著提高土壤生產力，但可能具有不同的作用機制[13]。石灰改良在提高土壤細菌物種多樣性方面具有明顯的優勢；而有機肥改良在增加快速生長的富營養細菌類群豐度、促進參與土壤養分周轉的微生物生長方面具有顯著優勢。通過共存網絡分析發現未酸化的紅壤細菌網絡模塊化程度最高，且主要功能模塊中的類群相互關系以正相關為主；而在酸化紅壤的細菌網絡結構中，主要功能模塊中的類群相互關系以負相關為主；改良措施能顯著影響酸化紅壤的細菌網絡結構，提高主要功能模塊中正相關關系數量和相關類群的豐度[14]。以上結果表明，針對酸化紅壤的改良可以將兩種改良方式相結合，在初期加入石灰進行改良，迅速提高土壤pH 值[15]，降低土壤酸化對作物和微生物生長的抑制作用，提高土壤微生物多樣性；隨后通過增施有機肥進行改良，使土壤pH值維持穩定[7]，提高土壤微生物活性，促進參與土壤養分循環的微生物生長。

1.2 成土母質

不同類型的土壤由不同母質發育而來，不同類型土壤的顆粒組成、元素組成及含量、pH 值等理化性狀均不同[16]，因此不同類型土壤中的微生物群落組成和多樣性顯著不同。Sun等[17]基于中國農業科學院祁陽農業生態系統國家野外試驗站長達30 年的生土熟化試驗，通過比較長期熟化紅壤和未熟化紅壤母質中的微生物群落，發現長期耕作熟化雖然能增加土壤微生物多樣性，但不同類型母質經過相同耕作方式熟化后的土壤微生物多樣性變化趨勢與母質中的微生物多樣性變化趨勢相同；另外，盡管長期施用化肥和有機肥能通過改變土壤理化性質影響紅壤微生物群落組成，但母質類型依然是紅壤微生物群落組成和多樣性的最主要驅動因素[18]。成土母質中的微生物是土壤微生物組的最初來源，不同類型母質的物理化學性狀差異較大，其中的微生物“種子庫”（Seed bank）結構和功能也顯著不同，因此成土母質成為土壤微生物組結構和功能的最主要影響因素。

1.3 植被類型

除了土壤類型和施肥措施外，地上植被的改變也會驅動土壤微生物群落演替。陸地生態系統中植物通過凋落物和根系分泌物為土壤微生物提供分解底物，不同生態系統中植物凋落物的組成不同，對土壤中不同微生物類群的生長具有不同的促進或抑制作用[19]；另外，不同植物的根系分泌物組成也有很大差異，因此不同植物對土壤微生物群落組成具有很強的選擇性[20]。在南方紅壤中，長期撂荒與長期耕作的土壤植被類型不同，其土壤微生物群落組成也顯著不同，其中長期耕作顯著降低了土壤微生物群落的多樣性和異質性[21]。這種現象與亞馬遜原始森林的土壤微生物群落在農業化利用過程中的多樣性變化趨勢一致[22]。通常，地上植物多樣性越低，對土壤微生物，特別是根際土壤微生物群落的選擇性越強。撂荒紅壤地上植被群落較高的多樣性和異質性選擇形成了具有較高異質性的土壤微生物群落，導致撂荒紅壤微生物群落β多樣性高于農田紅壤；而長期耕作會降低地上植被的多樣性和異質性，導致農田紅壤微生物群落α多樣性降低。

1.4 外源微生物

外源微生物接種或入侵，如隨有機肥料載體或單獨施用的微生物肥料、隨大氣或雨水進入土壤的外界微生物，也會影響土壤微生物群落結構。Xun 等[23]通過對長期不同施肥制度發育形成的第四紀紅壤進行交換接種培育，即將其中一種施肥制度下的土壤微生物群落提取后接種到另一種施肥制度的土壤中進行培育，發現同一施肥制度的土壤中培育出的群落多樣性和組成相似度更高，其中土壤pH 值是紅壤微生物群落結構的最主要驅動因素，其次是長期不同施肥措施引起的其他土壤化學性質變化，而不同微生物接種來源影響較小。

以上研究表明，南方旱地紅壤微生物組的結構受到多種因素的驅動作用，非人為因素中母質類型是紅壤微生物群落結構的最主要驅動因子，人為因素中施肥制度是最主要的驅動因子，而植被（作物類型）和外源微生物的影響較小。因此，研究長期不同施肥制度驅動紅壤微生物組結構和功能的演替、影響紅壤肥力和作物產量的機制，對培育高肥力紅壤微生物組具有重要意義。

2 不同施肥制度對紅壤微生物有機碳周轉功能的影響

微生物在土壤有機質周轉過程中具有關鍵作用[24]，土壤有機質周轉能釋放如磷、硫、鉀、鈣、鎂等礦質養分，而土壤固碳是減少溫室氣體排放的主要手段之一[25]。因此，研究不同施肥制度下土壤有機碳分解和穩定的機制，不僅對提高土壤肥力和養分可利用性非常重要，對于應對全球氣候變化也具有重要意義。在紅壤中，土壤微生物可以通過自身的分解作用直接影響土壤有機碳周轉；同時，由于紅壤的脫硅富鋁鐵化作用，土壤鐵氧化還原微生物也能通過影響紅壤鐵元素形態間接影響土壤有機碳穩定。

土壤中大部分微生物都是化能異養型微生物，需要氧化分解土壤有機碳獲取碳源和能量。不同微生物類群對土壤有機碳存在一定的底物偏好性，因此長期不同施肥措施影響土壤微生物群落結構，必然會驅動土壤有機碳組分變化。長期施用有機肥能增加土壤總有機碳含量，提高土壤中易分解有機碳和難分解有機碳的絕對含量，刺激土壤富營養細菌類群生長，這些微生物具有更多參與易分解有機碳周轉的功能基因[11]，優先通過分解和消耗易分解有機碳獲取生長所需的碳源和能量，并用于繁殖以外的多種生命活動，如生物固氮、解磷解鉀等，促進土壤中物質循環，增加土壤養分可利用性，為作物提供充足的養分。同時，這些微生物生長繁殖速度較快，其殘體及各種中間代謝產物在土壤中不斷累積，在土壤穩定碳庫的積累中發揮了更重要的作用。然而，長期施用含氮化肥但不配施有機肥對紅壤有機碳含量，貧、富營養細菌類群和難、易分解有機碳周轉相關基因豐度的影響與配施有機肥的影響相反，表明長期施用含氮化肥但不配施有機肥會導致土壤可利用有機碳缺乏、微生物活力下降，進而導致土壤養分周轉能力下降，土壤肥力降低。同時，長期施用有機肥的紅壤中，以原桿屬（Protorhabditis）為優勢屬的食細菌線蟲群落可以通過提高土壤團聚體內的細菌與真菌比值間接促進土壤有機碳周轉能力[26]。

鐵作為土壤中含量高且氧化還原性質活躍的金屬元素，在土壤有機碳穩定的過程中起到了非常重要的作用[27]。紅壤具有明顯脫硅富鋁鐵化過程，其鐵氧化物明顯聚積，因此紅壤鐵氧化還原微生物是影響土壤鐵元素形態轉化和驅動紅壤有機碳穩定的重要因子。與高結晶度的鐵氧化物相比，低結晶度的鐵氧化物對土壤有機碳的穩定作用更強，長期施用有機肥的紅壤中低結晶度鐵氧化物含量顯著高于長期施用化肥的土壤，并且紅壤中低結晶度鐵氧化物含量與土壤有機碳含量之間存在顯著正相關[28]，表明通過增施有機肥提高土壤有機碳含量可以有效降低紅壤高結晶度的鐵氧化物含量。同時，施用有機肥能增加紅壤鐵氧化還原細菌的豐度和多樣性，增加紅壤中假單胞菌屬（Pseudomonas）和厭氧繩菌屬（Anaerolinea）的豐度，這些類群是Fe（Ⅱ）氧化過程的關鍵微生物，其豐度增加會促進紅壤中Fe（Ⅱ）氧化，并在有機質作用下形成更高水平的低結晶態鐵氧化物；而施用化肥則具有相反的作用，長期施用含氮化肥但不配施有機肥會導致紅壤中地桿菌屬（Geobacter）豐度增加，而地桿菌屬是紅壤中最重要的Fe（Ⅲ）還原微生物，因此會導致紅壤中鐵氧化物溶解度提高[29]。因此，不同施肥制度能通過影響紅壤鐵氧化還原細菌群落組成驅動土壤鐵形態轉化，從而影響土壤有機碳穩定。長期施用有機肥能顯著降低紅壤鐵氧化物結晶度指數，減弱土壤芬頓反應，增強土壤有機碳穩定性[30]，同時避免土壤中積累過量游離態鐵氧化物，減弱其對作物生長[31]和微生物活性[32]的抑制作用。

3 不同施肥制度對紅壤微生物氮磷代謝功能的影響

氮磷是植物必需的兩大營養元素，土壤氮磷有效性顯著影響作物生長和產量[33]。紅壤由于其特殊的性質，極易發生氮素淋溶作用和磷素固定作用，使氮和磷成為紅壤農田生態系統生產力和穩定性的兩大限制性因子[34]。土壤微生物組影響土壤氮磷轉化功能，長期不同施肥制度會顯著影響紅壤氮磷代謝相關的功能微生物，采用合理的施肥措施調控紅壤微生物氮磷代謝功能對提高紅壤氮磷生物有效性具有重要作用。

土壤中生物固氮和解磷作用通常是耦合的，在長期進化過程中，很多固氮微生物能兼具解磷功能，如伯克氏菌科（Burkholderiaceae）和假單胞菌科（Pseu?domonadaceae）的一些固氮解磷微生物。Mills 等[35]的研究表明，土壤磷素有效性越高而有效氮含量越低時，生物固氮作用越強。土壤pH 值是固氮微生物活動的重要調控因子[36]，長期施用化肥和有機肥對紅壤固氮微生物群落組成的影響顯著不同，長期施用含氮化肥導致紅壤嚴重酸化，顯著降低了土壤固氮微生物豐度，抑制了以慢生根瘤菌科（Bradyrhizobiaceae）為主的共生固氮類群生長[37]；長期施用有機肥促進了以伯克氏菌科為代表的大多數固氮類群豐度，這些固氮微生物大部分都兼具較強的溶磷能力[38]，能夠提高紅壤氮磷有效性；而在不施肥的紅壤中，腸桿菌科（En?terobacteriaceae）和假單胞菌科等類群的相關菌株可以維持一定的豐度，表明這些類群可能是土壤維持最基本生產力的氮磷養分重要貢獻者[39]。酸化紅壤經過石灰改良之后，固氮微生物群落組成雖然沒有發生顯著變化，但是其相對豐度顯著提高[40]。Jiang 等[41]還發現在長期施用有機肥的紅壤中，原桿屬食細菌線蟲可以通過土壤生物食物網作用刺激產堿性磷酸酶的中慢生根瘤菌屬（Mesorhizobium）的生長，從而增強紅壤固氮解磷能力，提高土壤氮磷有效性。

長期施肥不僅可以改變紅壤的固氮微生物群落，還能影響氮素循環中其他過程的微生物組成。氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）在土壤氨氧化過程中起著重要作用，研究表明，土壤總有機碳含量對AOB 群落的豐富度和組成影響較大，而土壤pH 值對AOA 群落的豐富度和組成影響較大[42]。Wang 等[43]在酸性紅壤中發現了一種源自于堿性環境的活性AOA菌株，表明AOA 對土壤環境酸堿度變異的適應能力較強，可能在強酸性土壤中保持氨氧化活性。當土壤pH 值較低（低于4.5）時，AOA 的自養氨氧化作用比AOB 對土壤氨氧化作用的貢獻更重要[44-45]。長期有機無機配施可以顯著提高紅壤中AOA 和AOB 的數量，施用化肥顯著降低了紅壤中AOA 和AOB 的數量[46]。長期施用豬糞可以促進土壤食細菌線蟲生長，食細菌線蟲專一性捕食AOB 還能刺激土壤硝化作用，間接促進土壤氮素循環[42]。因此長期施用有機肥可以通過提高土壤有機質含量和穩定土壤pH值增加固氮解磷微生物和氨氧化微生物（AOA 和AOB）的豐度和組成，從而驅動土壤生物固氮解磷和氨氧化過程，提高土壤氮循環效率[47]和氮磷養分有效性[41]。

4 紅壤微生物代謝功能驅動群落裝配和穩定

土壤微生物是土壤生物肥力的主要貢獻者，維持紅壤微生物組結構多樣性和功能穩定性是保證紅壤具備穩定基礎肥力和促進紅壤高產的生物學基礎。在高度復雜的土壤微生物群落中，參與土壤元素轉化等特定功能的微生物類群及功能基因也存在高度多樣性，即土壤微生物群落具有較高的功能冗余性[48]。功能冗余性會影響微生物互作關系，從而驅動群落裝配過程，影響群落的生態功能[49]，然而微生物不同代謝功能對群落裝配和穩定性的影響仍不清楚，因此需要建立土壤微生物多樣性與群落結構和功能裝配過程之間的關系，并揭示其內在機制。Xun 等[50]利用梯度稀釋接種培育構建了不同多樣性的紅壤微生物群落，發現土壤微生物多樣性下降會導致群落穩定性下降，廣泛性和特殊性代謝功能基因的多樣性均顯著降低，其中特殊性代謝功能基因的相對豐度顯著降低，而廣泛性代謝功能基因的相對豐度則顯著提高。因此，特殊性代謝功能可能是驅動土壤微生物群落裝配和維持群落穩定的重要功能。所謂廣泛性功能基因，就是群落中絕大多數微生物類群都“持有”的功能基因，如三羧酸（TCA）循環、糖酵解等功能相關的基因；所謂特殊性功能基因，就是僅由群落中的稀有微生物功能群“持有”的功能基因，如土壤氨氧化過程、有機污染物降解等功能相關的基因。有研究表明，物種豐富度并不是決定其對群落貢獻的主要因素，土壤中的關鍵稀有類群對生物地球化學的許多過程起著至關重要的作用[51]。土壤微生物多樣性下降會優先導致具有特殊性功能基因的稀有類群損失，從而導致土壤微生物群落適應環境能力降低、穩定性下降，使群落維持條件選擇或均一化選擇的確定性裝配過程；僅有當土壤微生物群落的多樣性較高時，能夠“持有”和“表達”更多特殊性功能時，群落才能更好適應環境[52]，維持生長、繁殖、死亡的隨機性裝配過程。

土壤微生物的功能冗余性使群落在土壤環境發生劇烈變化時能夠保持一定的結構和功能穩定性或恢復力。通常認為，土壤微生物多樣性與群落結構和生態功能穩定性之間總體上存在正相關關系[53]。目前大多數關于土壤微生物群落多樣性與結構和功能穩定性之間關系的研究多以描述性為主，發現大多數功能（如生物固氮、甲烷氧化、復雜有機碳分解等）與群落多樣性存在正相關關系[54]，也有部分功能（如土壤呼吸、簡單有機碳分解等）與群落多樣性無關[55]。紅壤微生物組的研究均表明土壤微生物多樣性與土壤生態功能和生產力之間存在顯著的正相關關系。因此，長期施用有機肥可以通過增加紅壤微生物多樣性提高土壤多功能性（Multi-functionality），進而提高土壤微生物群落穩定性和養分周轉效率，這可能是高微生物多樣性的農田紅壤維持高產穩產的關鍵原因。

5 結論與展望

總的來講，土壤類型是紅壤微生物群落組成的最主要決定因素，不同施肥制度能夠通過改變土壤性質影響紅壤微生物組的結構和功能特征。配施有機肥能提高土壤微生物活力，加速土壤有機碳周轉；同時還能增加土壤微生物多樣性，提高土壤氮磷轉化效率，增強群落的結構和功能穩定性。這些結論有助于明確如何通過農藝操作和管理土壤微生物組來提高土壤肥力以及增加農作物產量，為逐步實現種地與養地相結合的紅壤資源可持續利用模式提供實踐經驗。

從長遠來看，我國農業微生物組的研究仍需要遵循問題導向、需求牽引、頂層設計、學科交叉、創新理論、強調應用的發展思路，形成具有我國特色的紅壤微生物組理論體系，力爭在微生物組結構組成、裝配理論、穩定機制、功能特點，以及農業微生物組資源挖掘、基于土壤微生物組的產品開發、土壤微生物組與土壤培肥相互作用等方面取得突破性進展，充分發揮微生物組在我國紅壤資源可持續利用與農業綠色發展中的作用。未來可重點開展以下研究方向：

（1）改進土壤微生物培養策略。未來要針對純培養微生物個體進行耐逆能力、種間或種內互作機制等研究，因此需要改進對紅壤微生物的培養策略，利用現有基因組數據確定高效分離關鍵功能微生物的培養策略，建立紅壤微生物資源庫。

（2）明確土壤微生物組不同類群的功能特征和驅動因素。未來的研究可以將土壤微生物的系統發育信息與特定的土壤生態功能聯系起來，結合宏培養策略和共同生活史策略對微生物進行分類，將有利于理解和預測農田土壤中諸多生態系統水平上的生物學過程及其對生態系統的影響。

（3）開發合理調控和高效管理的土壤微生物組產品和農業措施。針對不同類型的紅壤，將宏培養獲得的功能微生物人工裝配成具有特定生態功能的微生物群落，開發能夠提高土壤養分循環效率、促進土壤有機質穩定的合成菌群微生物肥料；同時研究合成微生物群落的功能特征和驅動因素，優化農業管理措施促進有益微生物生長并提高其活力，為我國紅壤地區中低產耕地提供有效的改良策略。