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水稻田是地球上最大的人工湿地，微量元素钼（Mo）对水稻土中微生物固氮至关重要。本文发现，经过40年的长期施肥，土壤中微生物残体碳和弱晶型矿物的含量显著增加。这些微生物残体和矿物为钼的络合提供了丰富的位点，有效减少了其流失，从而提高了固氮菌的丰度。研究结果为水稻田的生物固氮机制提供了科学依据，也为低氮农业的发展指明了重要的技术途径。
中文题目：微量元素作用大！水稻土中微生物固氮功能由它们控制
英文原题：Key role of microbial necromass and iron minerals in retaining micronutrients and facilitating biological nitrogen fixation in paddy soils
通讯作者：余光辉，天津大学
第一作者：许立欣，天津大学
关键词：微生物残体，功能基因，施肥，同步辐射，微量元素
背景介绍
生物固氮是氮素从大气圈进入生物圈的主要途径。全球每年生物固氮量高达2亿吨，为陆生植物提供75%的氮素，在农业生态系统中发挥着重要作用。生物固氮与光合作用并称为地球生命活动的基石，为减少化学氮肥的使用、缓解环境污染、维持生态平衡及降低农业生产成本提供了新的思路。
水稻田作为地球上最大的人工湿地，面临着由于地表径流和淋洗造成微量元素流失的高风险。因此，氮素成为限制水稻田生态系统生产力和稳定性的重要因素。微量营养元素钼（Mo）是固氮酶的活性中心，也是制约水稻田生物固氮的关键因素。尽管生物固氮在水稻田氮循环中发挥着重要作用，但研究者对水稻生态系统中生物固氮驱动因子的深入理解仍显不足。
研究成果
天津大学地科院余光辉教授研究团队与福建省农业科学院资源环境与土壤肥料研究所的王飞研究员、福建农林大学资源与环境学院的姚敏杰教授，以及德国哥廷根大学的Yakov Kuzyakov教授等展开合作，利用位于福建闽侯的长期（40年）定位试验站，通过分子标志物、宏基因组、高通量定量PCR和同步辐射红外显微成像等现代分析技术，发现长期施肥使水稻土壤中的微生物残体碳含量比未施肥对照组增加了20%至43%。同时，长期施用有机肥提高了矿物的风化程度，增加了非晶型矿物的含量，从而促进了水稻土中矿物结合态碳的增加。同步辐射红外显微成像分析提供了直接证据，揭示了亚微米尺度上水稻土壤中矿物表面羟基官能团对有机碳官能团的差异性控制（图1）。此外，微生物残体和短程有序矿物的含量与水稻土中的微量元素含量及其生物可利用性显著正相关，表明它们在微量元素的截留中发挥了关键作用。宏基因组测序分析进一步表明，微量元素的含量和生物可利用性与关键氮固定属（如根瘤菌和嗜氮菌）的丰度之间存在较强的相关性。
图1 长期施肥水稻土中矿物和有机碳官能团的空间分布和耦联关系
结构方程模型（SEM）表明，微量元素和微生物残体在固氮属中的关键作用顺序为：微生物残体 > 微量元素 = 弱晶型矿物 > 土壤有机质（见图2）。因此，水稻土中的固氮菌主要受到微生物残体控制，揭示了微生物残体在微量元素截留中发挥了重要作用。
图2 土壤因子对固氮菌的直接和间接影响
本文提出了一个概念模型（图3），探讨水稻土中微生物残体和矿物如何截留微量元素并促进生物固氮。模型指出，长期施用有机肥显著提高了土壤中有效钼的含量和生物固氮能力。同时，化学截留是影响有效钼含量的主要机制：微生物残体是有效微量营养素（如Mo和V）的重要来源，而带正电的铁氧化物则通过其丰富的吸附位点与碳官能团形成稳定的络合物，对微量元素的截留至关重要。最后，生物活化是提升土壤有效钼的关键过程，弱晶型铁矿物作为亚稳态储库，不仅提供可利用的微量元素，还能作为催化剂增强其生物有效性，进一步促进固氮微生物的吸收与丰度增加。
图3 水稻土中微生物残体和矿物对截留微量元素、促进生物固氮的示意图
未来方向
主要作者简介
余光辉 天津大学地科院，“北洋学者”长聘教授。主要从事土壤碳氮生物地球化学循环、土壤污染与修复、矿物-微生物互作等研究。在Current Biology、Global Change Biology、Environmental Science & Technology、Geochimica Et Cosmochimica Acta等期刊发表论文150余篇。主持国家重点研发计划课题、国家联合基金重点项目等20余项。
许立欣 天津大学地球系统科学学院，博士研究生。主要从事土壤碳氮生物地球化学循环等研究。在Fundamental Research期刊发表论文1篇。
引用本文
Li-Xin Xu, Fei Wang, Yao Yao et al., Key role of microbial necromass and iron minerals in retaining micronutrients and facilitating biological nitrogen fixation in paddy soils. Fundamental Research, doi.org/10.1016/j.fmre.2024.02.007.
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001018
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