在西南喀斯特地區(qū)，施用化肥的傳統(tǒng)農(nóng)田養(yǎng)分管理措施是維持土壤磷供應(yīng)的最常用手段，但是喀斯特農(nóng)田土壤高鈣鎂和養(yǎng)分漏失導(dǎo)致土壤磷限制嚴(yán)重，如何提升土壤磷利用效率是喀斯特區(qū)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題。微生物是土壤磷循環(huán)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)者，通過(guò)無(wú)機(jī)磷溶解和有機(jī)磷礦化作用調(diào)控土壤磷有效性，其中叢枝菌根真菌（AMF）和豆科根瘤菌可以調(diào)控磷循環(huán)且在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中具有重要應(yīng)用潛力。然而，關(guān)于有機(jī)的生物調(diào)控措施（接種AMF和間作豆科綠肥植物）和無(wú)機(jī)農(nóng)業(yè)管理措施（添加尿素和無(wú)機(jī)磷肥）對(duì)喀斯特農(nóng)田土壤磷有效性和磷循環(huán)功能的影響機(jī)制尚不清楚。
中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站王克林課題組依托環(huán)江站2018年建成的雜交構(gòu)樹(shù)人工生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1），采用宏基因組測(cè)序方法探究有機(jī)和無(wú)機(jī)農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤磷有效性、磷循環(huán)功能基因和類群組成的影響。實(shí)驗(yàn)處理包括空白對(duì)照（CK）、接種AMF（A）、間作豆科綠肥植物（Medicago sativa）（L）、同時(shí)接種AMF與間作豆科綠肥植物（LA）、添加尿素（+N）、添加無(wú)機(jī)磷肥（+P）和混施尿素和無(wú)機(jī)磷肥（+NP）共7個(gè)處理，每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)。研究結(jié)果表明：1）與對(duì)照相比，同時(shí)接種AMF和間作豆科綠肥植物使土壤有效磷增加了54.3%，且是添加尿素和無(wú)機(jī)磷肥處理的1.6-2.4倍（圖2）；2）與單施無(wú)機(jī)磷肥相比，同時(shí)接種AMF和間作豆科綠肥植物顯著增加了無(wú)機(jī)磷礦化功能基因豐度（ppa）（圖3）；3）添加無(wú)機(jī)磷肥增加了堿性磷酸酶活性，同時(shí)添加尿素和無(wú)機(jī)磷肥增加了編碼堿性磷酸酶的功能基因phoA豐度（圖3）。綜上所述，有機(jī)的生物調(diào)控農(nóng)業(yè)管理措施有利于增加無(wú)機(jī)磷溶解的潛能，而無(wú)機(jī)的化肥添加農(nóng)業(yè)管理措施主要通過(guò)改變有機(jī)磷礦化潛能來(lái)調(diào)控土壤磷有效性。 本研究揭示了豆科綠肥植物和AMF增加土壤磷有效性的微生物潛在驅(qū)動(dòng)作用機(jī)制，為喀斯特農(nóng)田土壤磷有效性的管理提供科學(xué)依據(jù)與理論指導(dǎo)。
研究結(jié)果以Metagenomic insights into the effects of organic and inorganic agricultural managements on soil phosphorus cycling為題發(fā)表在Agriculture, Ecosystems & Environment。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、湖南省杰出青年基金和廣西重點(diǎn)研發(fā)等項(xiàng)目資助。
圖1 雜交構(gòu)樹(shù)人工生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
圖2 有機(jī)和無(wú)機(jī)農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤磷有效性的影響
圖3 有機(jī)和無(wú)機(jī)農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)磷循環(huán)功能基因的影響