生物固氮是地球上最重要的生態(tài)過程之一，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)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(nóng)田土壤中微生物最為活躍的區(qū)域，根際中固氮微生物群落與作物的生長息息相關(guān)。然而，長期以來，大量化肥及有機(jī)物料的投入大大降低了農(nóng)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(jī)制鮮有研究。最近，中國科學(xué)院南京土壤研究所研究員褚海燕課題組基于安徽蒙城35年長期定位施肥實驗平臺（設(shè)置不施肥、單施NPK肥、NPK+秸稈、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(shù)，研究了長期不同施肥管理對小麥根際固氮活性及其相關(guān)功能微生物的影響機(jī)制。

　　研究發(fā)現(xiàn)，長期的不同施肥管理均大幅度降低了根際與非根際土壤的固氮活性（50%）。通過共存關(guān)系網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)森林模型分析，識別了與固氮活性最密切相關(guān)的關(guān)鍵微生物集群，其主要由寡營養(yǎng)型的地桿菌（Geobacter spp）占優(yōu)勢。系統(tǒng)發(fā)育信號分析發(fā)現(xiàn)這些關(guān)鍵固氮微生物菌群在長期不施肥的環(huán)境下是系統(tǒng)發(fā)育聚集的，而施肥導(dǎo)致其系統(tǒng)發(fā)育呈現(xiàn)隨機(jī)性狀態(tài)，表明長期施肥管理下的土壤環(huán)境已不能主動選擇與固氮活性密切相關(guān)的關(guān)鍵固氮菌群，由此造成土壤固氮功能的不可逆丟失。進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)方程模型解析長期不同施肥影響固氮活性的機(jī)制：施肥既能直接影響土壤固氮活性，也能通過影響土壤理化性質(zhì)與固氮菌群落間接影響土壤固氮活性；其中，根際效應(yīng)的負(fù)反饋作用造成了根際固氮活性的進(jìn)一步降低。該研究耦合根際土壤固氮過程與關(guān)鍵固氮菌集群，從系統(tǒng)發(fā)育機(jī)制上解析了長期施肥抑制根際特定固氮菌集群的生長與功能，為集約化農(nóng)業(yè)背景下土壤生物多樣性保護(hù)及生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮提供科學(xué)依據(jù)。研究成果發(fā)表在國際期刊Microbiome上，博士生范坤坤為論文第一作者，研究員褚海燕為論文通訊作者。

　　該研究得到西班牙阿利坎特大學(xué)、安徽省農(nóng)科院土壤肥料研究所、中科院城市環(huán)境研究所的合作，以及國家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)專項“土壤—微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”的資助。同時，在中科院南京分院“科學(xué)探究活動”項目的支持下南京師范大學(xué)附屬中學(xué)三位同學(xué)也參與了部分工作。

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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(tài)模塊；C)生態(tài)模塊中優(yōu)勢菌群的系統(tǒng)發(fā)育

圖2：結(jié)構(gòu)方程模型解析長期不同施肥對根際固氮活性及其相關(guān)固氮微生物類群的影響機(jī)制