【摘 要】
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水稻是世界上第二大粮食作物,保证了世界一半以上人口的生存。均衡施肥是维持土壤养分、土壤微生态和水稻产量的重要农业生产措施,但是目前不合理不均衡施肥方式成为全球农业生产的常态,对土壤环境和作物产量产生负面影响。解析不均衡施肥下作物和土壤产生的响应对于准确合理的施肥有重要的指导作用,然而关于长期不均衡施肥下水稻产量和稻田土壤理化特性的变化、稻田土壤不同类型微生物群落分布和功能的响应、土壤理化特性和微生
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（No:2017YFD0301601,2016YFD0200402）; 国家自然科学基金项目（No:31560582）; 生物多样性与有机农业北京市重点实验室（BOF201902）; 山东“双一流”
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水稻是世界上第二大粮食作物,保证了世界一半以上人口的生存。均衡施肥是维持土壤养分、土壤微生态和水稻产量的重要农业生产措施,但是目前不合理不均衡施肥方式成为全球农业生产的常态,对土壤环境和作物产量产生负面影响。解析不均衡施肥下作物和土壤产生的响应对于准确合理的施肥有重要的指导作用,然而关于长期不均衡施肥下水稻产量和稻田土壤理化特性的变化、稻田土壤不同类型微生物群落分布和功能的响应、土壤理化特性和微生物对产量的贡献,目前缺乏全面的解析。本研究在2018年水稻收获后采集了江西农科院于1983开始设置的长期不均衡施肥试验的稻田土壤,试验包括五个处理:CK（不施肥）、-N（施加磷肥和钾肥）、-K（施加氮肥和磷肥）、-P（施加氮肥和钾肥）、NPK（施加氮肥、磷肥和钾肥）,通过细菌16S r RNA基因、真菌ITS2片段和古菌16S r RNA基因的扩增子测序以及土壤宏基因组测序解析了土壤微生物的群落分布及功能的响应,主要结果如下:（1）长期不均衡施肥改变水稻产量和土壤理化特性。均衡施肥下水稻年产量为11578.58 kg/ha,任何营养元素的长期缺失均会显著降低水稻产量（P＜0.05）。长期NPK肥处理会降低土壤pH,引起酸化,长期缺氮、缺磷处理会减缓土壤酸化程度;长期均衡施肥能够更全面的维持土壤养分,土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾的含量均有所提高,长期营养元素的缺乏会引起相应土壤营养指标的降低。（2）长期不均衡施肥影响稻田土壤微生物群落分布和物种组成。长期不均衡施肥显著影响真菌和古菌的分布,缺氮、缺磷显著影响真菌的群落分布（P＜0.05）,缺氮、缺钾显著影响古菌的分布（P＜0.05）,任何元素的长期缺乏对细菌分布的影响均不显著;真菌物种组成受不均衡施肥的影响更大,缺磷处理显著提高壶菌门和球囊菌门的相对丰度、缺钾处理的单毛壶菌门显著降低（P＜0.05）。（3）长期不均衡施下土壤微生物与理化特性紧密相关。pH是显著影响细菌（23.0%）、真菌（6.9%）、古菌（30.2%）群落分布且解释率均最高的土壤理化特性因子（P＜0.05）;细菌和古菌与土壤多种养分指标（如有机质、全氮、碱解氮、速效磷等）的相关性强于真菌与这些养分指标的相关性。（4）微生物的元素代谢功能受到长期不均衡施肥的调控。磷元素的长期缺失会显著提高微生物部分氮代谢相关功能的相对丰度,如nas B、nar H/nar Y/nxr B、nitrilase（P＜0.05）,也会比其他元素缺乏处理富集更多差异显著的磷代谢有关功能;变形菌门主要参与了稻田氮磷代谢有关的功能。（5）长期不均衡施肥下土壤理化特性和微生物共同贡献于水稻产量的改变。水稻产量的改变主要是由施肥处理直接影响的,土壤微生物与理化特性共同贡献于水稻的年产量,其中细菌通过土壤理化特性（λ=0.39,P＜0.05）间接贡献于产量（λ=0.27,P＜0.001）,真菌则直接贡献于产量（λ=0.19,P＜0.01）。综上所述,长期不均衡的施肥下,细菌、真菌、古菌通过pH的调节在群落分布、物种组成和代谢功能上产生不同的响应来适应土壤环境中营养元素水平的变化,并借助不同的机制贡献于水稻年产量。本研究的结果拓展了关于不均衡施肥下土壤微生态响应机制的认识,也为合理均衡施肥维持稳定的作物产量和优良的土壤环境提供理论基础。
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