解淀粉芽孢杆菌缓解有机肥对酸性土壤反硝化速率刺激效应的机制研究

针对酸性茶园土壤氮素流失与温室气体排放问题，中国科学院成都生物研究所团队通过盆栽实验，解析了有机肥(OF)与解淀粉芽孢杆菌(BA)单独及联合施用对反硝化速率及功能微生物群落(nirS/nirK/nosZ)的影响。研究发现BA可缓解OF对反硝化的促进作用，揭示nirS群落结构对施肥更敏感，为有机农业中氮素管理提供了新策略。

　　

在追求绿色农业的今天，酸性茶园土壤正面临双重挑战：过度施肥导致的土壤酸化，以及由此加剧的氮素流失和温室气体排放。反硝化作用（denitrification）作为氮循环的关键环节，将硝酸盐(NO₃
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)逐步还原为氮气(N₂
)，此过程不仅造成氮肥损失，还会产生强温室气体N₂
O。虽然有机肥(OF)被视为化学肥料的环保替代品，但其对反硝化的刺激效应可能适得其反。更棘手的是，关于微生物菌剂如解淀粉芽孢杆菌(BA)如何调控这一过程，科学界仍存在诸多争议——有的研究发现BA能促进反硝化，有的则显示其可能抑制N₂
O排放。这种认知鸿沟严重制约了精准施肥策略的制定。

为破解这一难题，中国科学院成都生物研究所的研究团队设计了一项精巧的盆栽实验。他们设置四组处理：空白对照(F0)、单施BA、单施OF及BA+OF联合施用(BAOF)，通过测定反硝化速率、功能基因(nirS/nirK/nosZ)丰度及群落结构，结合土壤理化性质分析，首次揭示了BA与OF互作的生物学机制。这项发表于《Microbiological Research》的研究证实，BA能有效缓解OF对反硝化的刺激效应，并将这一现象与nirS型反硝化菌群的α多样性下降相关联。这一发现为有机农业中"减氮保产"提供了理论支撑。

研究团队采用三项关键技术：1) 乙炔抑制法测定土壤反硝化速率；2) qPCR定量分析功能基因(nirS/nirK/nosZ)丰度；3) 高通量测序解析nirS/nirK群落结构。实验样本取自四川典型酸性茶园土壤，确保了生态相关性。

土壤反硝化速率与酶活性
数据表明，所有施肥处理均显著提升反硝化速率，其中OF组增幅最高(619%)，但BAOF组增幅(331%)显著低于OF组，证实BA能缓解OF的刺激效应。值得注意的是，仅OF和BAOF处理显著提高了亚硝酸还原酶活性，暗示BA可能通过调控该酶活性实现干预。

功能基因响应规律
基因定量显示，施肥处理普遍增加nirK丰度而降低nosZ丰度，其中BA单独处理使nirS Chao1指数显著下降。特别的是，BAOF组的nirS多样性指数介于BA与OF之间，表明BA可能通过重塑nirS群落结构来缓冲OF的影响。

群落结构驱动因素
PCoA分析揭示，所有处理均显著改变nirS群落组成，而nirK群落保持稳定。Mantel检验指出土壤pH、全氮(TN)和硝酸盐是主要驱动因子。这一结果支持了"nirS比nirK更敏感"的假说，为施肥策略的微生物靶向提供了依据。

调控机制解析
通过方差分解分析(VPA)，研究者发现功能基因特征(56.3%)比土壤性质(43.7%)更能解释反硝化速率变异。具体而言，硝酸盐积累、nirK基因增殖与nosZ基因抑制共同构成"促反硝化三联征"，而BA则通过降低nirS群落多样性打破这一恶性循环。

这项研究的意义在于三方面：首先，首次阐明BA可通过调控nirS群落缓解OF的负面效应，为生物-有机肥联用提供了理论依据；其次，证实nirS型菌群是施肥干预的更优靶点，指导了精准微生物管理策略；最后，建立了"功能基因主导"的反硝化调控模型，推动氮循环研究从现象描述向机制解析转变。正如作者强调的，在酸性茶园中推广BA与OF联用技术，有望实现"减氮不减产"的可持续发展目标，为全球农业碳中和贡献中国方案。