2022年10月5日，土肥高效利用国家工程研究中心张民老师团队在土壤资源高效利用方面取得重要进展，成果《The controlled-release nitrogen fertilizer driving the symbiosis of microbial communities to improve wheat productivity and soil fertility》发表于农学类SCI一区期刊《Field Crops Research》。该研究采用扩增子测序和共生网络，在为期12年（2008-2019年）的钙质土壤田间试验中，研究了微生物共生在控制小麦生产力和土壤肥力中的作用。研究发现与SN肥料相比，CRN肥料通过增加共生模块的多样性，可以显著提高小麦生产力和土壤肥力。
概述
小麦（Triticum aestivum L.）是重要的粮食作物之一。为满足日益增长的人口需求，世界范围内的氮肥施用量已大幅度提高。然而，过量的传统可溶性氮肥（SN）会对环境造成不良影响。如温室气体排放增加，土壤质量下降，地下水污染和富营养化等。因此，施用高效氮肥是一项必要措施。
在农业生态系统中，土壤微生物群落结构，特别是某些共生模块，调节着生态系统过程，包括有机质矿化、土壤团聚体稳定、秸秆分解和养分循环。近年来，微生物群落的关键共生模块被认为是农业生态系统功能的主要驱动因素，可以提高土壤养分有效性、植物生产力和维持生态系统养分循环。因此，在施用CRN的田间试验的第12年，我们研究了微生物群落结构在控制小麦产量和土壤肥力中的重要性。
主要研究结果
1. 不同长期施肥条件下的微生物群落
非度量多维尺度（NMDS）显示，细菌、真菌和古细菌群落在不同施肥处理之间存在显著差异（图2）。在细菌群落中，施肥模式与施氮方式差异不显著，但与施氮方式相比，施肥模式对真核菌和古菌群落有显著影响。
图1. 非度量多维测度 (NMDS)。 A-C：细菌、真菌和古菌群落的不同NMDS。
2. 微生物网络与作物生产和土壤性质有关
共现网络被用来识别密切相关的细菌、真菌和古细菌群落在共现网络中，三个共生模块（Module#1、Module #2、Module #3）表现出强烈的共现现象（图4）。Module#1有64个节点和180条边，Module #2有62个节点和255条边，Module #3有38个节点和195条边。我们对Module #1、#2和#3进行了单独的网络分析，发现Module #1和#3的亲近中心性显著高于模块#2。另一方面，Module #3的度等级明显高于Module #1和Module #2。Module #1和Module #3也被发现与小麦产量以及土壤化学和物理性质显著相关。Module #1的相关性最高，其次是Module #3。因此，我们认定Module #1和Module #3是关键的共生模块，因为它们与小麦产量和土壤理化性质的相关性较高。
图2. 基于共发生网络的模块。
3. 微生物群落多样性和共生模块、土壤肥力和小麦生产力之间的生态关系
用结构方程（SEM）可以更好地了解不同施肥处理对微生物群落和共生模块多样性、土壤肥力和小麦生产力的影响。SEM可以解释64%的小麦生产力变化和44%的土壤肥力变化。SEM结果表明，增施氮肥可增加CRN（P=0.61）和SN （P=0.58）施肥处理共生模块的丰度。随施氮量的增加，CRN肥料对土壤肥力和微生物群落丰度的影响不明显。但随着施氮量的增加，SN肥料对土壤肥力有显著的负向影响。这说明CRN肥比SN肥更能改善土壤环境。
通过效应分析和VPA分析，我们发现微生物群落多样性、共生模块多样性、土壤肥力和小麦产量之间存在显著的直接正相关关系，模块多样性对作物产量的影响最大。另一方面，群落的丰度和土壤的肥力对作物生产的影响基本相同。因此，在小麦产量和肥力因子方面，CRN肥的长期施用效果优于SN肥。
图3 结构方程模型(SEM)将不同因素之间的关系可视化。
结论
本研究通过比较不同施肥模式的效果，证实了共生模块在控制小麦产量和土壤肥力方面的重要性。模块#1和模块#3为关键共生模块，与小麦产量和土壤肥力呈显著正相关。模块1中放线菌、绿弯菌、芽单胞菌和变形菌占主导地位。子囊菌在模块#3中占主导地位。这两个模块中的主要微生物对小麦产量和土壤肥力有显著影响。与SN肥相比，CRN肥可显著增加小麦共生模块的多样性，降低土壤肥力退化风险，提高小麦产量。这些发现强调了微生物共生模块多样性在维持小麦产量和土壤肥力方面的重要性，以及12年施肥后CRN肥料的作用。我们的发现可能对长期粮食生产产生深远的科学影响。
论文信息
作者信息：高永祥
通讯作者：刘之广
论文题目：The controlled-release nitrogen fertilizer driving the symbiosis of microbial communities to improve wheat productivity and soil fertility
期刊名称：Field Crops Research
发表时间：2022年10月5日
查阅网址：https://doi.org/10.1016/j.fcr.2022.108712