长期施肥下石灰性潮土氮、磷和硫的生物转化机制

肥料长期试验跨越相当长的时间尺度，记录着人类活动和环境变迁的丰富信息。发生于土壤中各种物理的、化学的和生物学的变化过程，均可通过肥料长期试验透彻地认识。鉴于氮、磷和硫对于作物营养的极端重要性，以及氮、磷和硫在科学问题和研究方法上的共性，本项目拟以代表华北平原典型土壤的石灰性潮土长达30年的河北辛集小麦-玉米轮作体系肥料长期定位试验为基础，研究长期施用有机肥料和无机肥料下土壤氮、磷和硫库的变化，作物根际微生物数量与生理群动态，根际水解酶活性以及根际土壤细菌遗传物质多样性。本项目对于挖掘肥料长期试验巨大科学信息宝库，深入揭示长期施肥下土壤氮、磷和硫转化特征及其微生物学机理具有重要理论价值，研究成果对于指导平衡施肥与土壤养分管理，实现农田可持续利用具有重大实践意义。

本项目以华北平原石灰性潮土长达31年的河北辛集小麦-玉米轮作体系肥料长期定位试验为基础，研究长期施用有机肥料和无机肥料下土壤氮、磷和硫库的变化，作物根际微生物数量与生理群动态，根际水解酶活性以及根际土壤细菌遗传物质多样性。研究发现，单施有机肥（M）或有机无机配施（MNPK）处理均显著提高土壤有机质、全N、铵态氮和全S含量。无机氮肥处理（N、NP和NPK）能够维持或降低绝大多数土壤参与C、N、P和S循环的根际胞外酶活性，而在非根际土壤中这些酶的活性反而得到显著提升。相反，无论是根际还是非根际土壤，有机肥处理（M和MNPK）均显著提高这些胞外酶活性。磷脂脂肪酸（PLFA）分析表明，根际土壤拥有更加丰富的PLFA总量，而非根际土壤具有更高的细菌/真菌和放线菌/真菌比值。根际土壤中，单施N肥处理细菌/真菌和放线菌/真菌比值最高，而单施有机肥处理中最低；然而根际土壤，细菌、真菌和放线菌丰度在有机肥和无机肥处理之间差异不显著；二者之间主要差异在于革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比值（G+/G-），无论是根际或非根际土壤，长期施用有机肥显著提高石灰性潮土G+/G-比值。施N肥处理显著提高土壤PNA和AOB丰度，而有机肥有利于AOA的生长。施N肥处理显著改变了AOB的群落结构，特别是有利于亚硝化螺菌（Nitrosospira）第3和4簇多样性的增加，而AOA的群落结构相对稳定。此外，PNA与AOB的丰度和群落结构呈显著相关关系，而与AOA无显著相关性。石灰性潮土氨氧化过程主要由AOB完成，而AOB和AOA在根际效应和施肥处理的影响上存在显著差异。