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期刊：Soil and Tillage Research 1区TOP/IF=6.5![]() 长期高磷投入抑制土壤细菌多样性和土壤磷循环基因；![]() 根际效应增加了土壤细菌网络的复杂性和相互作用；![]() 根际吸收具有特殊功能和基因的微生物维持小麦产量；![]() 高磷输入和土壤多功能性对小麦产量没有显著的促进作用；![]() 黄土高原旱地小麦磷肥投入阈值为71.6 ~ 78.1 kg ha−1 yr−1。 |
磷肥作为影响农业生态系统作物产量的重要因素，可显著改变土壤微生物群落结构、功能基因组成和多功能性。然而，决定小麦籽粒产量的主要因素以及旱地小麦磷肥投入阈值引起的产量变化尚未得到充分的表征。本研究通过黄土高原5个磷素添加梯度(0、50、100、150和200 kg P2O5 ha−1 yr−1) 18年的长期田间试验，采用16 S rRNA和宏基因组测序技术研究了长期施磷对土壤细菌群落结构、根际微生物功能、土壤多功能性和小麦产量的影响。本研究的目的是:(1)揭示不同磷肥投入量下根际和非根际细菌群落的差异，以及是否存在根际选择效应显著影响根际细菌网络的组成、复杂性和稳定性;(2)识别以低磷投入大幅提高小麦籽粒产量的磷肥投入阈值;(3)探索土壤细菌群落/网络复杂性/根际微生物功能与土壤多功能性/小麦籽粒产量的直接和间接关系。在黄土高原典型旱地种植区陕西杨凌(34°17′59″N, 108°4′12″E)进行了长期田间试验。自2004年试验开始以来，包括5种不同的磷肥投入梯度(0、50、100、150、200 kg P2O5 ha−1 yr−1)。于2022年4月4日在小麦拔节期每个地块0 ~ 20 cm土层随机采集根际(n=25)和非根际(n=25)土壤样品。首先，在每个小区随机选取5组根系完整的小麦植株。然后，将剥离后的土壤视为非根际土壤(BS)，根据前人研究(Liu et al.， 2020b, Riley and Barber, 1969)，采用刷毛法获得根际土壤(RS)。每个土样通过2mm筛除大根后，一部分用于提取土壤DNA，另一部分用于测定土壤理化性质。更多关于试验田、施肥处理、田间管理、土壤和植物采样的信息在之前的研究中有描述(Dai et al.， 2016, Liu et al.， 2020b, Ran et al.， 2021)。土壤性质、多功能性和小麦产量
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图1 长期磷肥投入下的土壤性状(总磷、总磷、总磷和总磷)、微生物养分限制(向量角和长度)、多功能性、小麦籽粒产量和小麦磷素吸收(拔节期)。
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图2 土壤细菌群落的组成和多样性。不同磷肥投入下根际和非根际土壤细菌群落的α-多样性(a:丰富度，b: Shannon)(c) PCoA图显示了根际和非根际土壤不同磷肥投入下的细菌群落组成和(d)主要细菌类群的相对丰度(前10个)。(e)曼哈顿图显示，细菌ASV在根际土壤中显著富集。
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图3 (a)根际和(b)非根际土壤细菌群落共现网络。网络拓扑性质的差异，包括(c)脆弱性，(d)积极，和(e)消极凝聚力指数，以及(f)网络复杂性。
根际微生物的功能
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图4所 根际微生物的功能特征。(a)基于KEGG Orthology (KO) Braysingle bondCurtis距离矩阵的PCoA表明了不同磷肥投入下根际微生物功能的差异。直方图显示了不同磷肥处理下根际微生物(b)功能多样性(包括KO、CAZyome和COG)和(c)功能基因(土壤c、N和P循环基因)的差异。(4)根际土壤主要微生物类群(细菌、真菌和古细菌)与主要功能基因(C、N、P循环基因)相对丰度的关系。
根际微生物与基因共现网络模式
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图5 根际微生物与基因共现网络的模式。(a)不同磷肥处理下根际土壤微生物及基因共现网络分析。(b)网络中排名前20位模块的微生物数量和基因数量。(c)根际主要模块的累积相对丰度。(4)不同单元的相对丰度与土壤AP、Pi、多功能性与小麦产量的关系。
细菌结构、功能基因、多功能性与小麦产量之间的联系
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图6 决定小麦籽粒产量的主要因素。(a)磷肥投入下影响小麦籽粒产量的直接和间接因素扫描电镜(SEM)。(b)多功能或小麦产量与主要因素的线性关系。(3)不同影响因素对小麦产量的标准化总影响、直接影响和间接影响。
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图7 采用分段回归分析方法，研究了土壤多功能性和磷肥投入量对小麦产量变化的影响。最低磷投入率71.6kg ha−1 yr−1是根据模型Y(产量)= 463 +5329(其中土壤多功能=0.536)和Y(产量，5577 kg ha−1)= 28.35X(磷投入)+ 3548 (b)中5577 kg ha−1的小麦产量计算得出的
长期施用磷肥显著影响土壤多功能性、细菌群落和根际微生物功能。与非根际土壤相比，根际土壤具有更高的土壤多功能性、网络复杂性和稳健性，并可选择特定的微生物和功能基因来改善土壤养分循环，维持小麦籽粒产量。此外，考虑到土壤细菌群落结构和多功能性在维持小麦产量中的作用，应进一步关注磷肥对土壤细菌群落结构和功能的影响。对于旱地磷肥的减少，应避免过量磷肥导致的土壤环境恶化和磷肥的低利用率，因为如果磷肥投入超过阈值(71.6 ~ 78.1 kg hm2 - 1年- 1)，小麦籽粒产量不会显著增加。本研究为进一步研究黄土高原磷肥投入阈值下土壤及微生物代谢过程，制定促进土壤磷素转化和提高磷素利用效率的可行方法提供了新的微生物视角。(欢迎大家投稿、转发和建议，也希望与您共同讨论相关知识，共同进步！)
