亞熱帶生態所揭示磷元素計量學對缺磷水稻土氮循環基因的調控機理

2020-12-05 中國科學院

　　由中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水領銜的農業生態過程方向研究團隊近日在磷元素計量學對缺磷水稻土氮循環基因的調控機理研究中取得新進展。

　　營養元素計量比（C:N:P）對生物代謝活動的正常進行和生態系統功能的維持有重要意義。與C:N相比，生命活動和生態過程對N:P的波動更加敏感，能夠適應的N:P範圍小，靈活性差，P的可利用性可能高效調控著土壤微生物活性與豐度的動態變化。然而迄今為止，P與其他元素的計量關係對生態系統結構與功能的影響仍少見報導。農田生態系統中，氮肥的大量投入導致日愈嚴重的N：P失衡，N：P計量學特徵對微生物影響的研究對農田施肥策略的合理制定有重要意義。

　　基於此，該團隊採用Q-PCR技術，在乾濕交替和持續淹水兩種稻田水分管理方式下，定量研究了水稻生長過程中氨氧化（amoA）和反硝化（narG, nirK, nirS, nosZ）過程關鍵功能基因豐度對P可利用水平的響應。結果表明，氨氧化古菌對磷可利用性不敏感，施磷後氨氧化細菌豐度降低，但反硝化菌豐度顯著升高。施磷對氮循環功能微生物的影響與根際效應有交互作用，缺磷條件下，非根際土氨氧化細菌豐度顯著高於根際，反硝化菌在根際和非根際的差異不大，施磷後根際氨氧化細菌豐度增大，反硝化菌豐度減小，導致氨氧化細菌豐度分布的根際效應減弱，而反硝化菌豐度分布的根際效應增強。通過C:P、N:P計量關係分析發現，這種變化主要是由水稻根際有機碳沉積和根系及微生物對氮、磷的吸收帶來的營養元素缺乏引起；與土壤中NH4-N、NO3-N的含量相比，N：P對反硝化功能基因豐度的關係更為密切。該研究證明，磷肥施用能夠提高缺磷水稻土的反硝化潛力，增加稻田氮損失，增大水稻生長過程中的氮磷共限制風險和溫室氣體（N2O）排放。因此在施肥方案制定過程中，應充分考慮N、P對微生物的共同影響，以獲得最佳經濟效益和環境效應。

　　該研究近期以Effect of P stoichiometry on the abundance of nitrogen-cycle genes in phosphorus-limited paddy soil 為題，發表在Biology and Fertility of Soils上。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院戰略先導專項項目和中科院亞熱帶生態所青年創新團隊等項目的資助。

　　論文連結 

 

磷元素生態計量學對氮循環功能基因豐度的影響機製圖（上）及其結構方程模型分析（下）

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