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水稻种植耗硅，需施硅酸盐肥料维持产量，但它对土壤微生物及相关功能影响未知。研究人员用 Illumina 测序和 GeoChip 技术，研究长期（30 年）施硅酸盐肥料的影响。结果发现其可改变微生物功能基因，促进水稻生长。这为钢铁废渣农业利用提供思路。
在农业生产的大舞台上，水稻作为全球重要的粮食作物，对维持人类的生存和发展起着关键作用。然而，水稻在生长过程中有个特殊的 “癖好”—— 大量吸收硅元素，每年从土壤中带走的硅元素高达 470 kg/ha。长此以往，土壤中的硅元素被不断消耗，如果不及时补充，土壤质量就会下降，水稻产量也会受到影响。于是，硅酸盐肥料应运而生。但传统的硅酸钠和硅酸钾肥料价格昂贵，难以大规模应用。这时，钢铁工业废渣制成的硅酸盐肥料走进了人们的视野，它不仅成本低，还能解决废渣填埋带来的环境污染问题。
虽说已有不少研究表明，使用硅酸盐肥料能提高水稻产量，可背后的机制却一直扑朔迷离。而且，植物与微生物之间的相互作用对植物生长有着重要影响，就拿微生物来说，它们能驱动养分循环，产生植物激素、抗氧化剂和抗菌化合物，这些都能改变植物的代谢和生长，增强植物对逆境的抵抗能力。但硅酸盐肥料在这方面的作用，此前却鲜有人研究。为了揭开这些谜团，来自韩国农村振兴厅（Rural Development Administration）功能性谷物作物研究农场的研究人员展开了一项长期研究，其成果发表在《Agriculture, Ecosystems》杂志上。
研究人员采用了 Illumina 测序和 GeoChip 技术。Illumina 测序技术能够对土壤微生物的基因进行深度测序，分析微生物群落结构和基因组成；GeoChip 则可以定量检测与特定功能相关的微生物基因，帮助研究人员了解微生物在养分循环、植物激素合成等方面的功能变化。研究人员从 1991 年开始，在韩国的一处水稻田开展田间试验，持续 30 年向土壤中添加高炉矿渣制成的硅酸盐肥料，并设置对照，对土壤理化性质、作物产量、植物养分动态、微生物群落结构和多样性等进行测定和分析 。
土壤理化性质、作物产量和植物养分动态
长期添加硅酸盐肥料使土壤发生了显著变化。土壤 pH 值升高，这有助于改善土壤环境，促进养分的溶解和释放；土壤有机碳（SOC）、总氮、硝态氮（NO3--N）、有效硅、钙离子（Ca2+）和微生物生物量碳（MBC）的含量也都有所增加 。在作物产量方面，谷物和秸秆的产量都显著提高，同时植物对氮、磷、钾和硅元素的吸收也明显增加。这表明，硅酸盐肥料能够为植物提供更丰富的养分，促进作物生长和增产。
微生物群落结构和多样性
长期的硅酸盐肥料添加对土壤微生物群落结构和多样性产生了明显的影响。尽管文章未详细阐述具体变化，但可以推测，这些变化与微生物在养分循环和植物生长促进过程中的功能改变密切相关。微生物群落结构的调整，可能意味着某些有益微生物的数量增加，它们在土壤生态系统中发挥着更重要的作用，进一步促进了土壤养分的转化和植物对养分的吸收。
长期硅酸盐肥料改善植物养分吸收和产量
研究明确表明，30 年持续施用高炉矿渣硅酸盐肥料，能以 0.5 Mg/ha 的施用量显著提高水稻产量。这种增产效果得益于植物对氮、磷、钾和硅等养分的吸收增加。此前也有研究发现，硅酸盐肥料可促进植物和微生物对养分的吸收，此次研究结果进一步证实了这一点，为硅酸盐肥料在农业生产中的合理应用提供了有力依据。
研究结果显示，长期添加硅酸盐肥料能够显著改善土壤微生物介导的养分循环过程，提高水稻产量。从养分循环角度来看，肥料增加了参与碳固定（如 RuBisCo 和 CODH 基因）和易分解碳降解（淀粉、半纤维素和纤维素相关降解基因）的基因相对丰度，但对难分解碳（果胶、几丁质和木质素）降解基因影响不大；在氮循环方面，促进了氨化（ureC 基因）、N2O 还原（nosZ 基因）和厌氧氨氧化（hzo 基因）过程相关基因的表达，同时抑制了硝化（hao 基因）和反硝化（narG、nirK 基因）过程；对于磷循环，增强了有机磷矿化（phoA、phoB 和 phy 基因）和无机磷溶解（ppx、ppk 和 gcd 基因）相关基因的作用，但对磷吸收、运输及磷饥饿响应基因无明显影响。在微生物代谢产物方面，长期施肥提高了氢氰酸（hcnB 基因）合成相关基因的相对丰度，但对植物激素和抗氧化剂合成相关基因影响不显著。
这项研究意义重大。从农业生产角度看，为水稻种植合理施用硅酸盐肥料提供了科学依据，有助于提高水稻产量和品质，保障粮食安全；从环境角度出发，实现了钢铁工业废渣的资源化利用，减少了废渣填埋对环境的压力，助力钢铁行业达成零废弃物的目标；从土壤生态系统角度而言，揭示了硅酸盐肥料对土壤微生物功能的影响，为深入理解土壤生态过程、维持土壤生态平衡奠定了基础。不过，研究也存在一定局限性，例如未深入探讨微生物功能变化与土壤环境因子之间的复杂关系，未来研究可以在此方向进一步拓展，以便更全面地了解硅酸盐肥料在农业生态系统中的作用机制，为农业可持续发展提供更完善的理论支持和技术指导。
