交替干湿灌溉与控释/稳定肥联用通过调控水稻-微生物系统中有机氮利用及其优势菌群提升土壤氮素有效性

针对水稻种植中过量施肥与不合理灌溉导致的土壤退化问题，浙江大学团队开展交替干湿灌溉（AWD）与控释/稳定肥（CRN/SFN）联用研究。通过13C-15N同位素标记技术，揭示AWD优化土壤硝化速率、提升游离氨基酸（FAAs）含量，并重塑微生物群落（提高真菌:细菌比），使水稻对有机氮（ON）的竞争优势提升11.2-21.7%，为水稻绿色高产提供新策略。

　　

论文解读

在全球水稻生产中，中国以19%的种植面积贡献了32%的产量，但背后是70%农业用水和30%化肥的巨额消耗。长期过量施肥与淹灌导致土壤酸化和氮素利用率低下，成为制约可持续发展的瓶颈。尽管控释肥（CRN）和稳定肥（SFN）能匹配作物需氮规律，但其效果受土壤温湿度波动影响显著；交替干湿灌溉（AWD）虽能改善土壤通气性，但频繁氧化还原变化可能破坏微生物平衡。更关键的是，既往研究多聚焦无机氮（IN）转化，而占土壤氮库90%的有机氮（ON）如何在水稻-微生物系统中分配仍是黑箱。

针对这一难题，浙江省农业科学院联合浙江大学团队在《Field Crops Research》发表研究，通过五年田间试验结合¹³C-¹⁵N双标记示踪技术，首次阐明AWD与优化施肥协同提升ON利用效率的微生物学机制。研究采用两种灌溉模式（常规淹灌FI vs AWD）和五种施肥处理（包括常规尿素PUN₁₀₀、减氮20%的控释肥CRN₈₀和稳定肥SFN₈₀），通过磷脂脂肪酸（PLFA）分析和同位素标记甘氨酸示踪，解析ON在水稻与微生物间的竞争格局。

关键方法

1. 田间试验设计：基于2019-2023年杭州富阳区田间试验，监测水稻产量与氮素吸收动态
2. 同位素示踪：采用¹⁵N-甘氨酸标记区分水稻与微生物对ON的摄取途径
3. 微生物群落分析：通过¹³C-PLFA技术量化微生物生物量及群落结构变化
4. 土壤酶活性检测：测定β-葡萄糖苷酶（BG）、脲酶（SUE）等关键酶活性

研究结果

1. 水稻产量与氮素利用效率提升
AWD使CRN₈₀和SFN₈₀处理的水稻产量较常规施肥（PUN₁₀₀）提高11.2-21.7%，氮肥偏生产力（NPFP）提升18.3-24.6%。同位素示踪显示，AWD下水稻对¹⁵N-甘氨酸的摄取量比微生物高37%，证实其获得ON竞争优势。

2. 土壤氮素有效性调控机制
AWD+SFN₈₀处理使土壤硝化速率提高2.1倍，游离氨基酸（FAAs）含量增加68%。冗余分析表明，NO₃^-、FAAs和微生物氮熵（qMBN）是驱动ON分配的关键因子，三者共同解释微生物群落变异的82.3%。

3. 微生物群落重构
AWD使真菌:细菌比上升1.8倍，而革兰氏阳性:阴性菌比下降42%。PLFA谱图显示，革兰氏阴性菌与水稻竞争ON最激烈，其¹³C吸收量与水稻产量呈显著负相关（R²=0.71）。

4. 酶活性与ON转化关联
β-葡萄糖苷酶（BG）和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（NAG）活性在AWD下分别提升55%和62%，加速了ON矿化为氨基酸的过程，为水稻提供直接氮源。

结论与意义
该研究揭示AWD通过三重机制优化ON利用：① 提升硝化速率和FAAs库容，② 重塑微生物群落（增强真菌优势），③ 激活土壤酶系。其中SFN₈₀因含硝化抑制剂，与AWD协同效果最佳。这一发现为破解水稻生产中"减氮不减产"难题提供新思路——通过灌溉-施肥协同调控微生物生态位，将传统"无机氮主导"模式转向"有机氮-无机氮耦合"的新范式。研究同时指出，长期AWD对特定功能菌群（如氨氧化古菌）的影响仍需深入探究，这对实现水稻生产的生态集约化具有重要指导价值。