近幾十年來中國(guó)農(nóng)田的土壤酸化現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注。通過大范圍的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相比1980s，中國(guó)大部分農(nóng)田的土壤pH在2000s時(shí)均顯著降低（<0.05）。化學(xué)氮肥的大量投入是造成土壤酸化的主要原因。高溫多雨的氣候特征使得南方紅壤本身就經(jīng)歷緩慢的“自然酸化”過程，土壤呈酸性、鹽基離子大量淋失、有機(jī)質(zhì)含量低，因而更易遭受由施肥引起的“人為酸化”的影響。
本研究也證實(shí)，長(zhǎng)期施用化學(xué)氮肥急劇加速了紅壤的酸化進(jìn)程，N和NPK處理的土壤pH分別下降至4.02和4.15。土壤在不同的酸化階段，會(huì)經(jīng)歷不同元素的緩沖體系，尤其是當(dāng)pH<4.2時(shí)，土壤進(jìn)入Al緩沖體系使得大量的Al3+被釋放出來。因此，N和NPK處理的地上植物和地下微生物可能已遭受Al毒的危害。而在相同施氮量的基礎(chǔ)上，用有機(jī)氮肥替代70%的化學(xué)氮肥則具有良好的改酸效果。有機(jī)肥的堿度、有機(jī)氮的氨化作用和有機(jī)陰離子的脫羧反應(yīng)是減輕土壤酸度的主要原因。并且，化肥有機(jī)肥配施（NPKM處理）也是改善土壤肥力的有效措施，其效果要明顯優(yōu)于NPK處理，而單施氮肥（N處理）不利于土壤肥力的提升。
紅壤本身呈酸性，長(zhǎng)期自然選擇的結(jié)果使嗜酸性的酸桿菌具有較高比重。然而經(jīng)過25 a施肥，NPK和NPKM處理中酸桿菌相對(duì)豐度均顯著降低，變形菌成為最優(yōu)勢(shì)種群，其原因既與土壤pH變化有關(guān)，也因?yàn)樗釛U菌屬于典型的貧營(yíng)養(yǎng)型（即K策略者）細(xì)菌，大量投入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)抑制其生長(zhǎng)，而變形菌屬于富營(yíng)養(yǎng)型（即r策略者）細(xì)菌，土壤肥力提升會(huì)促進(jìn)其生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)變形菌的相對(duì)豐度與土壤碳含量顯著正相關(guān)，本研究也證實(shí)土壤SOC是影響變形菌相對(duì)豐度的首要因素（表1）。綠彎菌和放線菌對(duì)有機(jī)肥施用非常敏感，甚至發(fā)現(xiàn)其相對(duì)豐度與有機(jī)肥的施用量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，本研究也發(fā)現(xiàn)NPKM處理顯著降低了綠彎菌和放線菌的相對(duì)豐度。但擬桿菌和厚壁菌不同，發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥有利于提升其相對(duì)豐度，這與本研究結(jié)果一致。需要注意的是，與CK相比，NPKM處理中厚壁菌的相對(duì)豐度大幅提升了345.9%，且土壤AP的影響居首（表1），研究也有相似結(jié)果。本研究中，長(zhǎng)期單施氮肥僅提高土壤TN含量，未從根本上改善土壤肥力狀況，但也造成了貧營(yíng)養(yǎng)型的酸桿菌、富營(yíng)養(yǎng)型的變形菌以及其他一些菌群相對(duì)豐度降低，其原因可能是嚴(yán)重的土壤酸化（N處理土壤pH僅為4.02）對(duì)這些微生物產(chǎn)生了強(qiáng)烈的環(huán)境脅迫；同樣，擬桿菌通常也被認(rèn)為是富營(yíng)養(yǎng)型微生物，但其相對(duì)豐度在NPK處理中顯著降低，也是因?yàn)橥寥纏H的脅迫作用超過了肥力改善的促進(jìn)作用（表1）。
每一種微生物都具有獨(dú)特的生態(tài)位和特殊的生態(tài)功能，不同施肥措施造成的顯著差異微生物可以表征特殊的環(huán)境條件，因此具有很強(qiáng)的指示作用。具有降解土壤中復(fù)雜有機(jī)化合物的能力，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期秸稈還田顯著增加了紅壤水稻土中的相對(duì)豐度，本研究則證實(shí)長(zhǎng)期施用豬糞也會(huì)增加旱地紅壤中的比例，而施用化肥的作用相反，并且受施N、NPK和NPKM的影響效應(yīng)分別居各處理所有顯著差異細(xì)菌屬的第2、1、1位，因此它有可能作為評(píng)價(jià)土壤改良效果的敏感微生物指標(biāo)。嗜酸性的酸桿菌屬于變形菌，其生態(tài)功能與土壤中的氮素固定或轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)N和NPK處理顯著增加了他們的相對(duì)豐度，但NPKM處理未表現(xiàn)出相似效果，這可能與它們偏好化學(xué)氮肥施用后的酸性土壤環(huán)境有關(guān)，也可能是因?yàn)镹PKM處理的土壤氮素水平最高限制了它們的生態(tài)功能發(fā)揮。屬于變形菌，和屬于放線菌，各施肥處理均造成它們的相對(duì)豐度降低，表明它們對(duì)施肥極其敏感，相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)它們的相對(duì)豐度與TN、AN等土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈（極）顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。
圖1基于STAMP分析的顯著差異細(xì)菌屬
長(zhǎng)期施用豬糞或牛糞有利于維持砂姜黑土的細(xì)菌群落組成。本研究也發(fā)現(xiàn)，盡管長(zhǎng)期不同施肥使旱地紅壤的細(xì)菌群落發(fā)生轉(zhuǎn)變，但CK和NPKM處理仍更相似，N和NPK處理更相似，并且土壤pH是造成這種結(jié)果的唯一原因，即兩處理細(xì)菌群落相似是因?yàn)樗鼈兙哂邢嘟耐寥纏H。生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，土壤微生物多樣性是土壤質(zhì)量和健康的標(biāo)志。本研究證明施用有機(jī)肥提高了土壤細(xì)菌多樣性，而單施氮肥會(huì)導(dǎo)致其大幅降低。尤其需要注意的是，長(zhǎng)期施用化肥氮磷鉀也會(huì)降低土壤細(xì)菌多樣性，而“重化肥輕有機(jī)肥”正是近幾十年來我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的普遍現(xiàn)象。土壤細(xì)菌多樣性的降低，意味著土壤微生物生態(tài)功能的缺失，長(zhǎng)期發(fā)展下去勢(shì)必會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力。逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)（表1），決定細(xì)菌多樣性的首要因素也是土壤pH。
由上述分析可以看出，經(jīng)過25 a的長(zhǎng)期施肥，雖然NPK和NPKM處理顯著改善了旱地紅壤的土壤肥力，尤其是土壤的速效養(yǎng)分含量（如AP）得到極大提升，但影響土壤優(yōu)勢(shì)菌相對(duì)豐度、細(xì)菌群落組成和多樣性的首要因素仍是土壤pH，這與許多研究認(rèn)為是施肥造成的養(yǎng)分變化直接驅(qū)動(dòng)了微生物群落轉(zhuǎn)變的觀點(diǎn)不同。造成這種不一致的主要原因是土壤pH的變化幅度，“橄欖球模型”可以解釋這種現(xiàn)象：即土壤在近中性環(huán)境（以橄欖球的中部表征），土壤養(yǎng)分對(duì)細(xì)菌群落的轉(zhuǎn)變有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)作用（橄欖球中部的橫截面半徑較大，以此表征養(yǎng)分指標(biāo)驅(qū)動(dòng)作用的強(qiáng)度和方向），隨著土壤酸化或堿化的加劇（以橄欖球的兩端表征），土壤pH對(duì)細(xì)菌群落轉(zhuǎn)變的影響越來越大，而土壤養(yǎng)分的作用被逐漸限制（趨向兩端，橄欖球橫截面的半徑縮?。?。在本研究中，不同施肥使得旱地紅壤pH發(fā)生了顯著變化，尤其是長(zhǎng)期單施化肥急劇加速了土壤酸化，土壤甚至已經(jīng)進(jìn)入到危害嚴(yán)重的Al緩沖體系，土壤酸化的負(fù)面效應(yīng)已遠(yuǎn)超肥力改善的正面效應(yīng)。而化肥有機(jī)肥配施在補(bǔ)充土壤養(yǎng)分的同時(shí)，也明顯改善了土壤酸度，更促進(jìn)了土壤養(yǎng)分正面效應(yīng)的充分發(fā)揮。
本研究側(cè)重考察了長(zhǎng)期施肥對(duì)旱地紅壤細(xì)菌群落組成和多樣性的影響，這對(duì)于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有指導(dǎo)意義，但就土壤生態(tài)功能發(fā)揮而言，土壤微生物的數(shù)量及活性等也至關(guān)重要，這有待將來進(jìn)一步研究完善。此外，細(xì)菌雖然是土壤中種類最多、數(shù)量最大且目前研究最廣泛的一類微生物，但也不能忽視土壤中其他重要的微生物類群（如古菌、真菌等）以及具有特殊功能的微生物類群（如固氮菌、硝化細(xì)菌、解磷菌等），將來也有必要利用高通量測(cè)序技術(shù)研究它們對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)，這樣才能更全面、真實(shí)地了解施肥措施對(duì)旱地紅壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。
長(zhǎng)期施用化肥嚴(yán)重加劇旱地紅壤酸化，化肥有機(jī)肥配施不僅大幅降低土壤酸度，而且對(duì)土壤肥力的改善效果最好。不同施肥措施使旱地紅壤細(xì)菌群落發(fā)生顯著變化，長(zhǎng)期施用化肥降低了土壤細(xì)菌多樣性，而化肥有機(jī)肥配施明顯提高細(xì)菌多樣性。經(jīng)分析確定，土壤pH是影響旱地紅壤細(xì)菌群落的關(guān)鍵因素，土壤肥力的作用相對(duì)較弱，長(zhǎng)期施用化學(xué)氮肥造成的紅壤酸化的負(fù)面效應(yīng)已遠(yuǎn)超肥力改善的正面效應(yīng)。因此，旱地紅壤施肥應(yīng)以防治土壤酸化為前提，化肥有機(jī)肥配施是一項(xiàng)適宜的施肥措施。
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