東北地理所在黑土碳氮循環(huán)功能基因?qū)﹂L(zhǎng)期施肥響應(yīng)研究方面取得進(jìn)展
肥料管理和施用方式不僅直接影響作物產(chǎn)量，也顯著驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落的變化。而微生物群落對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)關(guān)乎到肥料養(yǎng)分的高效利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高。為此，東北地理所的科研人員聯(lián)合黑龍江省農(nóng)科院土肥所、黑河分院及吉林省農(nóng)科院研究團(tuán)隊(duì)，利用黑土區(qū)三個(gè)30余年的黑土野外定位施肥平臺(tái)，對(duì)比研究了化肥與有機(jī)肥4種施肥方式下的微生物群落變化。前期利用高通量擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，地域差異是驅(qū)動(dòng)黑土微生物群落分布的主導(dǎo)因素，但施肥在局部地區(qū)起顯著調(diào)控作用；有機(jī)肥施用促進(jìn)黑土富營(yíng)養(yǎng)型及作物潛在有益菌的生長(zhǎng)，而長(zhǎng)期添加化肥會(huì)降低微生物多樣性的同時(shí)富集了潛在作物病原菌。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用高通量宏基因組測(cè)序技術(shù)，針對(duì)黑土農(nóng)田碳氮循環(huán)功能基因進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，單施有機(jī)肥或與化肥配施顯著改變黑土碳氮功能基因的群落結(jié)構(gòu)，增加了纖維素和果膠降解的涉碳基因豐度；而長(zhǎng)期單施化肥顯著積累了黑土氨氧化作用相關(guān)功能基因豐度，可能導(dǎo)致硝酸鹽富集淋失及N2O排放增加（圖1）；同時(shí)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期有機(jī)肥添加顯著富集同化和異化硝酸鹽還原作用相關(guān)功能基因，這有助于提升黑土銨態(tài)氮含量及氮肥利用率（圖2）；然而，有機(jī)肥化肥配施會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致黑土反硝化作用相關(guān)功能基因豐度的顯著增加，表明過(guò)量氮素養(yǎng)分投入可造成土壤氮素通過(guò)氣態(tài)形式損失的風(fēng)險(xiǎn)（圖2）。該研究為推進(jìn)黑土區(qū)化肥減量化，構(gòu)建有機(jī)肥施用長(zhǎng)效機(jī)制提供微生物學(xué)理論依據(jù)。
宏基因組學(xué)研究成果最近發(fā)表在國(guó)際期刊Geoderma上。農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組項(xiàng)目副研究員胡曉婧為第一作者，王光華研究員為通訊作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA28020201）的資助。
圖1. 東北黑土區(qū)不同施肥制度對(duì)土壤碳循環(huán)功能基因的影響
圖2. 東北黑土區(qū)不同施肥制度對(duì)土壤氮循環(huán)功能基因的影響
論文信息如下：
Hu X, Gu H, Liu J, Wei D, Zhu P, Cui X, Zhou B, Chen X, Jin J, Liu X, Wang G. Metagenomics reveals divergent functional profiles of soil carbon and nitrogen cycling under long-term addition of chemical and organic fertilizers in the black soil region. Geoderma. 2022. 418: 115846. doi: 10.1016/j.geoderma.2022.115846.
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