施肥模式对稻田土壤微生物影响的研究进展

唐海明，肖小平，汤文光，李 超，汪 柯，李微艳，黄 玲，程凯凯，孙 耿

（湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125）

施肥模式对稻田土壤微生物影响的研究进展

唐海明，肖小平，汤文光，李 超，汪 柯，李微艳，黄 玲，程凯凯，孙 耿

（湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125）

综述了长期施肥条件下不同施肥模式对土壤微生物的生物量、酶活性、群落结构和多样性4个方面的影响，发现有机无机肥配合施用有利于维持和增加作物生长发育过程中土壤微生物数量、土壤酶活性和土壤微生物群落结构多样性；同时，也探讨了利用现代分子生物学方法研究土壤微生物多样性的进展及其应用前景，其研究结果可为作物高效生产、养分高效利用及农田可持续发展等提供理论指导。

稻田；长期施肥；土壤微生物；群落结构；多样性；综述

土壤微生物是土壤生态系统的重要组分之一[1]，它参与了土壤结构的形成、有机质的转化、有毒物质的降解以及碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）循环等过程[2]，对土壤肥力的形成和植物营养元素的转化起着积极的作用[3]，能敏感地反映土壤质量的变化，是土壤质量评价指标体系中重要的指标之一[4-5]。稻田土壤微生物群落结构和多样性与各个区域的气候条件、种植制度、土壤类型、土壤耕作方式和施肥模式等关系密切，其中不同的施肥模式是影响稻田土壤微生物群落结构和多样性的关键因素之一。

土壤微生物对于土壤质量和植物营养均具有重要的影响，土壤微生物变化与土壤环境之间的关系密切；长期定位施肥大田试验持续年限至少应在10 a以上，经过长期观测可透彻地认识作物生长过程中土壤微生物群落结构与功能多样性的变化过程，其试验结果的可靠性和指导性明显优于短期试验。因此，开展长期定位施肥条件下土壤微生物群落结构和多样性的变化特征及其对不同施肥处理的响应机制的研究，阐明根际微生物在稻田生态系统碳循环中的作用，揭示不同施肥条件下根际微生态碳循环的机制，对作物高效生产、养分高效利用和促进农田可持续发展等均具有重要的指导意义。

1 土壤微生物生物量与施肥的关系

土壤微生物生物量对土壤养分和植物生长所需的养分来源均具有明显的影响[6]。外界环境条件、施肥措施以及耕作制度等均会影响土壤微生物对碳和氮的积累，而土壤微生物对土壤环境因子的变化较为敏感，土壤环境中细小变化均会引起其活性的变化[7-9]。Plaza等[10]研究结果表明，施用有机肥可明显提高土壤微生物中碳、氮的含量，并提高土壤的酶活性，且这些作用与有机肥施用量呈正相关关系。施用化学肥料（氮、磷、钾）也有利于增加土壤微生物量，但其施用量有一个阈值，超过该阀值，继续增加化肥施用量，土壤微生物量含量将随之减少[11]。有研究表明，有机肥和秸秆还田（特别是绿肥和禾本科作物秸秆还田）均能提高土壤微生物量[12]，化肥配施有机肥、秸秆还田均能显著提高土壤微生物中的碳、氮含量[13-15]。配施有机肥能促进微生物生长繁殖，可以为微生物提供合适的氮源，发挥微生物活性源和库的作用[14,16]，从而为作物生长发育提供充足的养分。卜洪震等[13]研究表明，长期施用化肥、秸秆还田和有机无机肥配施，有利于增加土壤微生物量碳含量，并丰富土壤微生物群落结构。唐海明等[17]和徐一兰等[18]的研究结果均表明，长期联合施用有机无机肥可以提高大麦和水稻各个主要生育时期双季稻田土壤微生物的碳、氮含量和微生物熵，以有机无机肥配施对稻田土壤培肥效果为最佳。总的来说，有机无机肥的施肥模式下有利于增加作物生长发育过程中土壤微生物量碳氮含量。

2 土壤酶活性与施肥的关系

酶是土壤生态系统中最活跃的组分之一，反映了土壤生态系统中微生物参与物质循环的能力，土壤中各种酶的活性与土壤微生物的数量和群落结构均有密切关系[19]。酶活性可作为评价土壤生态环境和土壤质量的重要指标[20]。土壤中大部分酶的活性与土壤微生物数量及结构、有机碳含量之间存在相关关系[21]。由于各个区域的气候因素、土壤种类、作物类型、土壤耕作方式、施肥模式等有所差异，不同施肥模式对稻田土壤酶活性影响的结论各异。同时有研究结果表明，土壤脱氢酶是土壤微生物活性的一个有效指标，土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶等酶活性能够表征土壤碳、氮、磷等养分的循环状况[22]。Bachmann等[1]研究认为，氮、磷、钾肥合理配施或调节土壤C/N均能促进土壤脲酶和蔗糖酶的活性，但其对土壤过氧化氢酶活性的影响结论各异。Tang等[23]研究表明，长期施肥使得双季稻田水稻各主要生育时期部分土壤酶活性存在明显的差异。徐一兰等[24]认为，长期施肥增加了双季稻田部分具有特殊生理功能的土壤微生物数量，并提升了其酶活性，其中以有机无机肥配施的效果最为明显。土壤酶活性易受不同施肥模式的影响，有机无机肥的施肥模式是增加土壤养分循环相关酶活性的有效措施。

3 土壤微生物群落结构与施肥的关系

土壤微生物群落结构及其多样性与土壤生态环境的变化关系密切，其变化特征可作为评价土壤质量和土壤肥力的有效生物学指标[25]。土壤微生物多样性受较多因素的影响，如土壤类型和作物种类、耕作措施和施肥制度等，其中不同施肥制度是重要的影响因素之一[26]。已有研究结果表明，长期施肥条件下土壤细菌、固氮菌数量易受土壤养分的影响，土壤真菌、放线菌数量受土壤养分的影响较小[4]。徐万里等[27]研究认为，土壤细菌和真菌与土壤养分含量关系密切，而放线菌与土壤养分含量关系不紧密。研究发现，施用有机肥或功能型生物有机肥时，土壤微生物的数量和活性明显增加，土壤微生物的种群结构也有所变化[10]；与单施化肥相比，施用有机肥、秸秆还田配施化肥以及有机无机肥配施处理均有利于增加土壤微生物数量，并提高其活性[28-29]。Sapp等[30]研究显示，施用有机-无机肥对细菌群落结构无明显影响。因此，有机无机肥的施肥模式下有利于改善作物生长发育过程中土壤微生物群落结构。长期施肥条件下，作物各主要生育时期稻田土壤微生物群落结构变化的研究结果，可科学评价稻田土壤生境系统的健康质量，从而建构作物高产、稳产的稻田土壤生态环境。

4 土壤微生物多样性与施肥的关系

长期施入化学氮肥降低了土壤微生物的活性，施用粪肥和植物残体等有机肥有利于维护土壤肥力和土壤微生物生态环境的稳定[31]。研究表明，秸秆还田和有机肥配合施用均有利于增加土壤微生物多样性、改善土壤结构和提高土壤有机质含量[31]。Li等[32]研究结果认为，施肥措施增加了稻田土壤微生物功能多样性。Sarathchandra等[33]研究结果表明，施用化学氮肥和磷肥对土壤微生物多样性没有显著影响。Jangid等[34]则认为施用无机肥和禽类粪肥能有效改变土壤细菌群落，其中施用无机肥的处理细菌群落多样性水平高于施用禽类粪肥的处理。Sun等[35]的试验结果表明，有机肥处理土壤微生物群落多样性与化肥处理的差异明显。Guo等[36]认为通过调整尿素施肥技术显著改变了土壤细菌和氨氧化细菌（AOB）结构。Hussain等[37]研究认为，土壤环境的变化对水稻根际土壤nirK和amoA基因数量均具有显著的影响。不同的施肥处理对高粱根际土壤nirK和nirS基因丰度具有明显的影响，其中施用有机肥有利于增加根际土壤nirK和nirS基因数量[38]。Hamonts等[39]研究认为，不施氮肥和淹水处理均能减少小麦根际与非根际间土壤nirK、nirS和nosZ基因数量的差异。唐海明等[40]研究了不同施肥措施对双季稻田水稻根际土壤微生物功能多样性的影响，结果表明长期有机无机肥配施有利于维持稻田根际土壤微生物群落的多样性。总的来说，有机无机肥的施肥模式下有利于维持和增加作物生长发育过程中土壤微生物群落结构多样性。

5 土壤微生物多样性的研究方法

目前，开展土壤微生物多样性测定的方法主要有稀释平板法、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术方法等。Biolog微平板分析法现已广泛应用于不同土壤类型、作物种类、施肥模式和田间管理措施等条件下的土壤微生物群落功能多样性研究[41]。Chen等[42]运用PLFAs方法分析了秸秆还田对土壤中细菌、真菌和放线菌及微生物群落结构的影响。由于变性梯度凝胶电泳技术（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE）在研究自然界微生物群落的遗传多样性和种群差异方面具有明显的优越性，所以在研究土壤微生物种群多样性以及监测种群动态时也常应用该技术，由此极大地促进了微生物生态学的发展[43]。

近年来，为了克服传统方法对土壤微生物研究的局限，学者们采用实时荧光定量PCR（Real-time PCR）和DGGE技术从分子水平开展了土壤微生物多样性的研究[44]。Cattaneo等[45]应用PCR-DGGE方法研究发现玉米-大麦轮作系统中稻田土壤酶与全氮具有相关性。Beauregard等[46]通过PLFAs和DGGE相结合的技术，研究发现长期施用磷肥可改变某些特异性细菌及真菌的密度，从而改变土壤的微生物群落结构。Kelly等[47]和Monteiro等[48]应用Real-time PCR技术证明有机肥料的施用有利于促进土壤AOB和氨氧化古细菌（AOA）的种群密度。

采用第二代高通量测序技术对环境微生物进行深度测序，能够灵敏地分析微生物群落结构对外界环境改变而发生的响应机制，其研究结果对探明微生物群落结构和外界环境间的关系以及实现资源的可持续利用等具有十分重要的意义。目前，高通量测序平台以ABI公司的SoLid、Roche公司的454和Illumina公司的Solexa、Hiseq2000/2005和Miseq技术应用最为广泛，其中Roche公司的454和Illumina公司的Miseq技术具备测序片段长的有点，其测序结果不需要拼接可直接应用于微生物分子生态学的研究[49]。研究表明，采用高通量测序技术研究根际土壤微生物多样性所获得的结果远远高于采用传统的分离计数法及DGGE等其他分子生物技术所获得的数量[50]；Buee等[51]研究表明，土壤真菌的数量和多样性高于事先的假设，其中少数真菌种类所占的比例较大。Arenz等[6]通过高通量测序结果表明，种植黑麦后，增加了土壤alpha多样性，减少了beta多样性。郑燕等[52]对3种红壤稻田甲烷好氧氧化菌高通量测序结果表明，甲烷好氧氧化菌占土壤整体微生物群落的丰度显著增加，RNA水平的增幅显著高于DNA水平，更加灵敏地反映了土壤中甲烷好氧氧化的微生物过程。因此，将PCRDGGE与高通量测序等技术结合，进行土壤微生物类群和功能关系的深度分析，其研究结果有利于揭示不同施肥模式条件下作物生育期参与根际碳、氮等转化的微生物学机理。

6 总结和展望

土壤微生物和土壤酶活性均是土壤生态系统中较为重要和活跃的组成部分，它们在土壤物质循环、系统稳定性和可持续发展过程中有十分重要的作用，是反映土壤肥力的有效生物学指标，与土壤的肥力水平关系密切。土壤微生物数量和酶活性易受不同施肥管理措施的影响，在农业生产中，有机无机肥配合施用是增加作物生长发育过程中土壤微生物数量、提高土壤酶活性和土壤微生物群落结构多样性的有效措施，从而为作物的高产、稳产奠定了坚实的基础。

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（责任编辑：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

国家自然科学基金（31571591、31201178）；湖南省自然科学基金杰出青年基金项目（2017JJ1018）

唐海明（1980-），男，湖南江永县人，副研究员，主要从事耕作生态和农作制研究。