活性碳源对黔中地区三种土地利用类型土壤氮含量的调控机制及其微生物驱动机制

本研究针对贵州中部农业区氮肥利用率低、土壤侵蚀严重的问题，通过添加葡萄糖作为活性碳源，系统探究了其对水稻田、旱地和茶园土壤氮循环微生物群落及功能基因的影响。研究发现葡萄糖添加显著提高了土壤总氮(TN)、碱解氮(AN)和铵态氮(NH4 + -N)含量，同时降低硝态氮(NO3 - -N)含量，并通过激活固氮菌(Azotobacter)和芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus)等关键功能微生物，调控nif基因表达，为区域农业减氮增效提供了理论依据。

　　

在喀斯特地貌广布的贵州中部地区，农业生产面临着一个严峻的悖论：一方面，过度施用氮肥导致土壤酸化、水体富营养化等环境问题；另一方面，氮肥利用率不足30%，造成巨大资源浪费。这种困境在稻田、旱地和茶园三种典型土地利用类型中表现得尤为突出。传统解决方案往往聚焦于化肥配比优化，却忽视了土壤微生物这个"看不见的工程师"在氮素转化中的核心作用。最新研究表明，外源碳输入可能通过重塑微生物群落来调控氮循环，但不同土地利用类型下碳氮耦合机制的系统性研究仍属空白。

安顺学院农业与资源环境研究团队在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表的重要研究，首次揭示了葡萄糖作为活性碳源对黔中地区三种典型土壤氮循环的差异化调控机制。研究人员采用田间微区试验设计，设置0、5和10 g/kg三个葡萄糖添加梯度，通过16S rDNA高通量测序结合PICRUSt2功能预测，解析了微生物群落结构变化与氮循环功能基因表达的关系。关键发现包括：葡萄糖添加使三种土壤总氮含量提升2.32-11.36%，其中茶园土壤响应最为显著；固氮菌属(Azotobacter)在水稻田和旱地中相对丰度最高提升36.6倍，而芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus)在茶园土壤中增加70.6倍；10 g/kg葡萄糖处理下nif基因相对丰度达到峰值，证实碳源添加通过激活特定功能微生物促进生物固氮。

研究结果部分：

1. 葡萄糖添加对土壤理化性质的影响
   通过90天田间试验发现，葡萄糖添加显著提升三种土壤总氮含量（稻田5.68%、旱地5.92%、茶园6.78%），同时使pH值升高0.13-0.34个单位。特别值得注意的是，茶园土壤铵态氮含量在10 g/kg处理下出现145.22%的爆发式增长，暗示酸性土壤对外源碳的响应更为敏感。

2. 土壤细菌群落结构变化
   Bray-Curtis距离分析显示，不同葡萄糖处理形成明显分离的微生物群落簇。优势菌门中，变形菌门(Proteobacteria)在稻田土壤10 g/kg处理下相对丰度增加93.02%，而酸杆菌门(Acidobacteriota)普遍下降18.32-64.12%。属水平上，稻田和旱地土壤中固氮菌属(Azotobacter)丰度提升9.86-36.61倍，构成碳添加促进氮固定的直接证据。

3. 氮循环功能基因表达特征
   通过KEGG通路注释发现，10 g/kg葡萄糖处理下固氮基因(nifH/nifD/nifK)相对丰度达到峰值，其中茶园土壤增幅达3.59倍。相反，编码氨单加氧酶(amoA/amoB/amoC)的硝化基因普遍受到抑制，这与土壤铵态氮积累现象高度吻合。有趣的是，反硝化基因在稻田土壤中增加而在茶园土壤中降低56.14%，显示pH变化对氮流失途径的调控作用。

4. 结构方程模型揭示调控路径
   SEM分析表明，优势微生物直接调控总氮（路径系数0.82）和碱解氮（0.75），而固氮基因(nif)对铵态氮的直接影响最强（0.57）。氮酶(EC:1.18.6.1)通过上调nif基因表达间接影响铵态氮积累，构建了"碳输入-微生物激活-基因表达-氮转化"的完整调控链条。

这项研究首次系统阐明了外源碳源通过"微生物-基因"双途径调控土壤氮循环的机制，特别是揭示了茶园酸性土壤的特殊响应模式。实践意义上，10 g/kg葡萄糖添加量被证明是激活固氮微生物群落的最佳阈值，这为喀斯特地区制定精准碳氮调控措施提供了量化依据。理论层面上，研究建立的SEM模型突破了传统单一过程研究的局限，将微生物群落结构、功能基因表达与氮素形态变化有机链接，为土壤生物地球化学循环研究提供了新范式。未来研究可结合DNA-SIP技术追踪碳源在特定微生物类群中的流向，进一步揭示碳氮耦合的分子机制。这些发现对实现我国西南喀斯特地区农业"减氮增效"目标具有重要指导价值。