长期施肥下东北黑土微生物区系演替与土壤生物地球化学特征耦联效应

The black soil in northeastern China, as a commodity grain base, played an important role in food supply and security. In agricultural industry, fertilization was a common practice and could change the soil physicochemical property, nutrient, enzyme activity, microbial diversity, abundance and composition, so was soil fertility. Soil biogeochemical characteristics, especially microbiome, were related to soil fertility and crop productivity, and could be in-situ regulated by Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR). A good microbiome could get high and stable crop yields without more fertilizer input. Thus, the in-situ regulation will lead a new insight to construct a sustainable agriculture. In this study, black soil will be sampled from different fertilization treatments in a long-term fertilization experiment, established by Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences in 1979. Soil physicochemical property, enzyme activity, biochemical processes under long-term fertilization will be assessed. The next generation sequencing (NGS) and bioinformatics technologies will be used to analyze soil microbiome and the relationship with soil property. Based on the analysis mentioned above, the influence of long-term fertilization on black soil fertility will be revealed, and the soil quality will be improved by microorganism in-situ regulation. The results will be great meaningful to the rational utilization of fertilizer and agricultural sustainable development.

东北黑土区是重要的商品粮基地，对我国粮食供应和食品安全至关重要。施肥作为农业生产的重要环节，能改变土壤性质，影响土壤肥力。土壤生物地球化学性质，尤其是土壤微生物区系，是评价土壤质量、维持土壤肥力和作物生产力的关键指标，通过对其良性调控，能够在施肥减量的同时，实现作物稳产高产，是可持续农业发展的新出路。本研究拟借助高通量测序平台和现代生物信息学技术，以黑龙江省36年长期定位实验土壤为研究对象，开展长期施肥对黑土理化性质、关键酶活性、生物化学过程强度、微生物区系的影响，表征土壤微生物区系特征及其与关键土壤功能的耦合效应，并通过选育高效植物根际促生菌对退化土壤定向培育及原位调控。研究结果将从土壤生物地球化学特征和土壤微生物区系的角度，解析长期施肥对东北黑土肥力的影响，并通过调控土壤微生物区系达到改善土壤质量的目的，为建立合理的施肥制度，发展绿色生态农业提供科学依据。

依托始建于1980年的黑土长期定位试验，借助荧光定量PCR、高通量测序和同位素示踪技术，选取：1）不施肥对照；2）施用无机磷、钾肥；3）施用无机氮、磷、钾肥；4）施用有机肥（马粪）；5）混施无机磷、钾肥和有机肥（马粪）；6）混施无机氮、磷、钾肥和有机肥（马粪）；7）施用一倍氮肥处理；8）施用一倍氮磷处理；9）施用二倍氮肥处理，和10）施用二倍氮磷处理，解析了长期不同施肥处理下黑土微生物群落结构和丰度的响应。结果表明，所有施肥处理均显著改变土壤性质，提高作物产量，尤其是化肥配施有机肥的处理效果最为显著。此外，有机肥处理能有效缓解土壤酸化并提高有机质含量。在土壤微生物丰度方面，长期有机肥处理显著提高了黑土细菌/真菌比值和多样性指数，有利于土壤微生物群落结构的恢复和稳定。在土壤微生物群落组成方面，植物根际和非根际的群落结构显著不同，植物根际比非根际细菌丰度高而多样性较低。Proteobacteria和Acidobacteria是优势细菌（门水平），Ascomycota和Zygomycota是优势真菌（门水平）。在门以下的不同分类水平，长期施肥显著改变了土壤微生物群落结构组成，化肥处理提高了许多与有害微生物的相对丰度，增大了土壤安全风险，同时，降低了作物和真菌的共生互利，导致氮损耗，并增加了温室气体排放。相对而言，很多土壤有益菌的相对丰度在有机肥处理下显著提高了，上述有益菌参与了促生、有机质积累、磷循环、抑制病原微生物、提高土壤酶活等过程。在植物根系分泌物分解真菌群落结构方面，长期施用氮肥提高了植物根系分泌物的数量，在小麦根际分泌物分解转化过程中发挥重要作用的真菌类群是Ascomycota和Basidiomycota，并且这两个类群对氮肥的响应不同；长期施用氮肥降低了以土壤固有碳源为能源真菌的多样性，但是对小麦根际分泌物分解真菌的多样性影响较小。此外，接种的胶质类芽孢杆菌能通过改变土壤细菌群落结构，达到定向改良土壤生物肥力的目的。