由中科院亚热带农业生态研究所吴金水研究员领衔的农业生态过程方向研究团队近日在磷元素计量学对缺磷水稻土氮循环基因的调控机理的研究中取得新进展。
营养元素计量比（C:N:P）对生物代谢活动的正常进行和生态系统功能的维持有重要意义。与C:N相比，生命活动和生态过程对N:P的波动更加敏感，能够适应的N:P范围小，灵活性差，P的可利用性可能高效调控着土壤微生物活性与丰度的动态变化。然而迄今为止，P与其他元素的计量关系对生态系统结构与功能的影响仍少见报道。农田生态系统中，氮肥的大量投入导致日愈严重的N：P失衡，N：P计量学特征对微生物影响的研究对农田施肥策略的合理制定有重要意义。
基于此，该团队采用Q-PCR技术，在干湿交替和持续淹水两种稻田水分管理方式下，定量研究了水稻生长过程中氨氧化（amoA）和反硝化（narG, nirK, nirS, nosZ）过程关键功能基因丰度对P可利用水平的响应。结果表明，氨氧化古菌对磷可利用性不敏感，施磷后氨氧化细菌丰度降低，但反硝化菌丰度显著升高。施磷对氮循环功能微生物的影响与根际效应有交互作用，缺磷条件下，非根际土氨氧化细菌丰度显著高于根际，反硝化菌在根际和非根际的差异不大，施磷后根际氨氧化细菌丰度增大，反硝化菌丰度减小，导致氨氧化细菌丰度分布的根际效应减弱，而反硝化菌丰度分布的根际效应增强。通过C:P、N:P计量关系分析发现，这种变化主要是由水稻根际有机碳沉积和根系及微生物对氮、磷的吸收带来的营养元素缺乏引起；与土壤中NH4-N、NO3-N的含量相比，N：P对反硝化功能基因丰度的关系更为密切。该研究证明，磷肥施用能够提高缺磷水稻土的反硝化潜力，增加稻田氮损失，增大水稻生长过程中的氮磷共限制风险和温室气体（N2O）排放。因此在施肥方案制定过程中，应充分考虑N、P对微生物的共同影响，以获得最佳经济效益和环境效应。
该研究近期以Effect of P stoichiometry on the abundance of nitrogen-cycle genes in phosphorus-limited paddy soil为题，发表在Biology and Fertility of Soils上。该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院战略先导专项项目和中科院亚热带农业生态研究所青年创新团队等项目的资助。
磷元素生态计量学对氮循环功能基因丰度的影响机制图（上）及其结构方程模型分析（下）