施肥对马铃薯酸性土壤磷素利用与转化功能微生物的影响机制

Fertilization could alter the soil physical and chemical properties and influence the soil microbial diversity, which finally affect the nutrient cycling, absorption and utilization in the soil. Iron and aluminum ions have a curing effect on phosphorus in acidic soil, which affect soil phosphorus absorption and utilization, phosphorus transformation function microorganisms involve in metabolic cycle of phosphorus and improve the uptake and utilization of phosphorus by crops. In this study, potato as test crop which is an important cash crop in Yunnan Province, we carried this experiment in the acidic soil condition, and take no fertilizer as control, and the three treatments are application of organic fertilizer, chemical fertilizer and different combinations of organic and chemical fertilizer. By metagenomics analysis, qualitative study on the variation of microbial community structure from rhizosphere soil, and reveal the soil microbial diversity response characteristics to different fertilization; with the 16S RNA/DNA amplicons high-throughput sequencing and quantitative PCR and other molecular biology techniques, quantitative analysis the variation of soil carbon and nitrogen microbes, and clarify the mechanism of different fertilization on soil phosphorus metabolism; comprehensive analysis of the soil phytase, dehydrogenase and phosphatase activity, soil organic phosphorus composition, yield and quality, clear the effect of different fertilization on soil phosphorus absorption and utilization characteristics. We expect to improve soil ecological environment, increase the absorption and utilization of phosphorus and reduce the agricultural non-point source pollution caused by phosphorus loss. The outcome will be theoretical and practical implication for sustainably use the soil in the future.

施肥改变了土壤理化性质并影响了土壤微生物多样性，最终影响土壤中养分循环和吸收利用。酸性土壤中铁和铝离子对磷素的固化作用也显著影响了磷的吸收与利用，而磷转化功能微生物参与磷的代谢循环，改善了作物对磷的吸收与利用。本研究以云南省重要经济作物马铃薯为研究对象，在酸性土壤条件下，以不施用任何肥料为对照组，以施有机肥、化肥、化肥与有机肥不同配比为处理组，通过宏基因组学定性研究根际土壤微生物群落结构的变化规律，揭示土壤微生物多样性对施肥的响应特征；通过16SRNA/DNA扩增和qPCR等技术，定量研究磷转化功能微生物变化规律，阐明施肥对磷转化微生物的影响机制；结合测定土壤中磷代谢植酸酶、脱氢酶和磷酸酶活性、有机磷组分及产量和品质，明确施肥对马铃薯磷吸收与利用的影响特点。以期改善土壤微生态环境、增加磷吸收与利用、提高肥料利用率、减少磷流失造成的农业面源污染，对土壤可持续利用具有重要的理论与现实意义。

云南是全国马铃薯主产区之一，马铃薯产业在云南省的社会和经济发展起到了重要作用。磷素直接影响了作物的生长和产量的形成。在云南，由于酸性土壤对磷素的固化作用，导致磷素利用率较低，造成了地表水体富营养化，加剧了农业面源污染的风险。因此，如何增加土壤中的可利用磷素和提高磷素利用率是农业提质增产和控制农业面源污染迫切需求。本研究以云南重要经济作物马铃薯为研究对象，在酸性土壤条件下，通过不同种类施肥分析马铃薯根际土壤的微生物群落构成与磷转化微生物的响应机制，结合土壤有机磷组分和磷代谢土壤酶活性的差异，明确不同种类施肥对滇酸性马铃薯磷素利用与转化微生物的影响机制。通过4年的连续定位试验，土壤中有机磷组分分析表明有机肥配施化肥显著增加了活性有机磷、中活性有机磷和中稳性有机磷含量的积累，促进了高稳性有机磷向活性有机磷方向转化；有机肥配施处理均可增加全磷、有效磷和有机磷含量和磷素活化系数，其中25%和50%有机肥配施比例利于提高土壤有效磷含量和磷素活化系数；单施化肥可使土壤pH值降低0.14-0.24，有机肥配施较单施化肥可提高pH值0.13-0.48；通过对土壤酶活性的监测表明，有机肥配施化肥可有效激活磷代谢相关酶的活性；结合土壤微生物高通量测序，有机肥配施化肥增加了土壤独有微生物数量，改变了土壤中微生物群落结构，提高了微生物总量，提升了土壤微生物多样性水平；配施有机肥可促进马铃薯块茎积累的快增期分别提前0-11d，块茎增长速率提高2.46%-45.28%，显著提高磷肥农学利用效率和磷肥贡献率111.31%-260.04%和88.07%-184.23%。综合四年产量数据，确定云南酸性土壤下最适宜配施比例为75%化肥+25%有机肥。本项目研究认为适量有机肥配施有助于其他形态磷向活化有机磷的转化，有效改善了土壤的磷素养分循环，有利于马铃薯的吸收与利用，同时提高磷素利用效率，利于马铃薯稳产与增产，并能够维持并提升土壤质量，以期为云南省马铃薯产业提质增效与可持续生产提供理论依据和技术支撑。