氮是植物生长过程中所必需的大量元素，然而，氮素利用率不高是作物栽培领域普遍存在的问题。聚天门冬氨酸（polyaspartic acid，PASP）是一种生物可降解的高分子聚合物，可作为肥料增效剂增强植物对氮素的同化效率，提高农作物的产量和品质。已有研究表明，PASP可以促进水稻生长，提高水稻产量，其增效作用主要归结于其对土壤氮素的动态调节和对水稻生理过程的调控。土壤微生物在维持土壤生态功能方面发挥着决定性作用，直接或间接影响着作物的生存和生产过程。然而，关于PASP施用后土壤微生物群落结构的变化特征尚未见报道，PASP能否会通过改变土壤微生物群落对水稻生产过程产生影响尚不清楚。
本研究利用盆栽试验系统开展了PASP对水稻农艺学特征、土壤理化性质以及土壤微生物群落结构的影响研究。结果表明PASP能够优化水稻的农艺学特征，促进水稻的干物质积累，提高水稻的籽粒产量（表1）。同时，应用PASP能够促进水稻对氮、钾的吸收，提高氮、磷、钾在水稻中的积累量（图1）。
表1 不同处理下水稻的农艺学参数
图1 不同处理下水稻中氮、磷、钾的浓度与含量
相对丰度弦图和热图表明PASP可部分抵消尿素施用对土壤细菌群落所产生的不利影响（图2）。施用PASP增加了与养分富集相关的变形菌门（Proteobacteria）和有机质降解相关的放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度；绿弯菌门（Chloroflexi）和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）中含有大量的硝化细菌，两者相对丰度的增加证明了PASP通过招募与硝化反应相关的微生物推动了硝化反应的发生。经过测算，凭借这种效应施用PASP可以减少占施氮量10.8%的氮素损失。施用PASP后13种属的相对丰度增加，其中6种属（Novosphingobium、Gaiella、Nocardioides、Hydrogenophaga、Iamia和Geobacter）被检测到与植物生长指标和土壤养分因子存在显著相关关系（图3），且其具有养分循环、抑制病原菌、协助植物同化养分、分泌土壤酶和产生植物激素等促生特性。而Iamia的高度富集是PASP提高氮素有效性的潜在原因。
图2 不同处理下优势细菌门和属的相对丰度
图3 丰度变化属与植物生长指标和土壤养分因子的相关性热图
细菌群落α多样性分析以及土壤养分因子的RDA分析表明（图4），PASP显著提高了细菌群落的α多样性，包括物种丰富度和多样性以及系统发育多样性，而PASP导致的氮素形态变化是造成细菌群落结构发生转变的主要原因。
图4 不同处理下细菌群落的α多样性和基于土壤养分因子的RDA分析
共现性网络分析表明（图5），施用PASP能够增加土壤细菌群落的复杂性、稳定性、多功能性，促进了细菌群落内不同物种间生态位的分离，并且加强了细菌内部的交流与合作。此外，施用PASP增加了细菌共现性网络中关键物种（keystone）的数量，因而强化细菌群落内部的能量流动和物质循环；施用PASP还改变了关键物种的种类，使能够介导土壤养分循环和有利于水稻生长发育的物种成为网络中的关键节点（图6）。
图5 不同处理下细菌群落的共现性网络
图6 不同处理下的keystone与植物生长指标和土壤养分因子的相关性网络图
结构方程模型揭示了PASP促进水稻生产的作用机制（图7），除氮素有效性外，土壤细菌群落的物种多样性对于提高水稻产量起着十分关键的作用。
图7 结构方程模型揭示PASP对水稻的增效机制
本研究首次研究了施用PASP对水稻种植过程中土壤微生物群落的影响，并进一步在土壤微生物组层面上揭示了PASP促进水稻生产的作用机制，这些发现可以为PASP在水稻种植方式、降低氮素流失、减少农田面源污染的作用机制方面提供新的见解。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、泰山产业领军人才工程项目以及现代农业产业技术体系建设专项资金的资助，近期以Polyaspartic acid facilitated rice production by reshaping soil microbiome为题发表在Applied Soil Ecology上。
【引文方式及原文链接】
Liu, T., Wei, J., Yang, J.H., Wang, H.Y., Wu, B.L., He P.C., Wang, Y.L., Liu, H.B., 2023. Polyaspartic acid facilitated rice production by reshaping soil microbiome. Appl. Soil Ecol. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2023.105056
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0929139323002548