水肥协同调控下杨树人工林土壤微生物群落与氮硫循环的生态效应

这篇研究通过多组学整合分析揭示了水肥添加对杨树人工林土壤微生物群落结构、功能基因（如amoABC、nosZ）及氮（N）、硫（S）循环的差异化影响。水-尿素处理降低变形菌门（Proteobacteria），富集反硝化基因（napABC），提升土壤NO3 ? /NH4 + ；而水-复合肥处理促进硝化基因（HAO）并增加N2 O排放风险。代谢组学显示水-尿素增加根际脂质代谢，复合肥提升非根际氨基酸代谢，为优化杨树种植的水肥管理提供生态权衡依据。

　　

引言

杨树作为速生树种，其种植依赖水肥管理，但长期水肥交互对土壤生态的影响机制尚不明确。本研究通过宏基因组和代谢组学技术，解析水-尿素与水-复合肥处理对杨树林土壤微生物群落及功能的差异化调控，揭示其对氮硫循环和代谢网络的重塑作用。

材料与方法

实验在中国辽宁新民机械林场开展，设置对照、灌溉、水-尿素（460 g N/株）、水-复合肥（NPK 15:15:15）四组处理。通过高通量测序（Illumina NovaSeq）和LC-MS/MS非靶向代谢组学分析土壤微生物组成、功能基因及代谢物变化，结合土壤养分（NH₄
⁺
、NO₃
^?
）和酶活性（脲酶、过氧化物酶）测定，评估生态效应。

结果

微生物群落结构

水肥处理未显著改变α多样性（Shannon指数），但驱动群落β多样性分化。水-尿素降低非根际土壤变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria），增加酸杆菌门（Acidobacteria）；而水-复合肥反之，且根际链霉菌属（Streptomyces）丰度提升。

氮硫循环基因

• 氮循环：水-尿素富集反硝化基因（napABC、nosZ），促进N₂
  排放；水-复合肥上调硝化基因（amoABC、HAO）和反硝化中间基因（nirABDFKS），增加N₂
  O积累风险。
• 硫循环：水-尿素激活硫氧化基因（soxA/B），水-复合肥促进同化硫酸盐还原（cysD/N），暗示硫分配路径的肥料依赖性。

代谢重塑

水-尿素根际脂类代谢物（如前列腺素合成酶EC:1.11.1.20）增加，复合肥非根际氨基酸代谢增强，反映碳分配策略差异。

环境风险

水-复合肥降低N₂
O还原基因（nosZ）丰度，加剧温室效应；水-尿素虽提升NH₄
⁺
但耗竭速效钾（K），提示养分失衡风险。

讨论

微生物功能冗余（如多菌群共执行反硝化）缓冲了多样性波动，但极端施肥可能突破阈值。水-尿素通过富集寡营养型菌（如酸杆菌门）适应高氮压力，而复合肥驱动根际氧化应激响应（如苯丙烷代谢上调）。研究为平衡杨树产量与生态安全提供理论依据，建议优化水肥配比以减少N₂
O排放。

结论

水肥协同通过调控微生物群落与代谢网络重塑土壤氮硫循环路径，尿素倾向环境友好型N₂
释放，复合肥则可能加剧N₂
O排放。未来需结合同位素示踪和长期定位试验验证功能基因与实际循环通量的关联。