长期施用牛粪通过调控氮循环功能基因提升玉米产量及氮素利用效率

为解决农田氮肥利用率低(NUE)及环境风险问题，中国科学院团队开展12年田间试验，揭示牛粪与化肥配施通过改变土壤微生物群落结构（Proteobacteria/Actinobacteria为主）及关键N循环基因（gdhA/narB/nifA等），使玉米产量提升8-23%、NUE提高17-53%，为可持续农业提供微生物调控新视角。

　　

研究背景与科学问题
全球农业正面临"氮悖论"困境：合成氮肥支撑着近半粮食生产，但过量施用导致氮素利用效率(NUE)长期徘徊在30-50%，不仅造成资源浪费，更引发土壤酸化、温室气体排放等连锁生态危机。中国东北黑土区作为重要粮仓，长期集约化耕作已使这片"耕地中的大熊猫"出现有机质下降、养分失衡等问题。尽管有机肥替代部分化肥被证明能改善土壤健康，但其对氮循环微生物组的功能调控机制及其与作物产量的关联仍是未解之谜。

研究设计与方法
中国科学院东北地理与农业生态研究所团队在黑龙江海伦建立12年(2012-2023)定位试验，设置4种处理：不施肥(CK)、常规化肥(CF)、化肥+15 Mg ha^-1牛粪(FM1)、化肥+30 Mg ha^-1牛粪(FM2)。通过宏基因组测序(NovaSeq平台)结合土壤-植物系统分析，测定：①产量与NUE指标；②土壤理化性质(pH/EC/SOM等)；③氮循环功能基因(36个)与微生物群落结构；④构建宏基因组组装基因组(MAGs)并分析其功能特征。

关键研究发现
3.1 产量与氮素利用响应
FM1处理在试验后期(2017年后)显现持续优势，2023年玉米产量较CF提升23%，NUE增幅达33-53%。值得注意的是，双倍牛粪用量的FM2并未产生显著增益，暗示15 Mg ha^-1可能是经济高效阈值。

3.2 土壤化学特性改良
牛粪处理使土壤有机质(SOM)提升31-33%、pH值升高0.93-1.12单位，尤其显著增加NO₃^--N(42-146%)和Olsen-P(47-254%)，构建更利于养分循环的微环境。

3.3 微生物群落重构
PCoA分析显示不同处理形成四类显著区分的功能群落(R=0.79-0.81)。Proteobacteria(相对丰度>40%)、Actinobacteria和Acidobacteria构成核心菌群，其中Planctomycetes在牛粪处理中显著降低，反映营养策略从寡营养向富营养转变。

3.4 关键功能基因鉴定
8个基因(gdhA/narB/nifA等)与NUE/N吸收显著相关，涉及6大功能模块：

• 氨化作用：gdhA(29个MAGs携带)
• 反硝化作用：norB(与土壤NO₃^--N负相关)
• 固氮作用：nifA(在2023年显著响应)
  FM2中narG(反硝化起始基因)丰度显著高于FM1，暗示高量牛粪可能增加氮损失风险。

3.5 MAGs功能解析
重建的30个高质量MAGs(>80%完整性)主要来自Acidobacteriota、Nitrospirota。FM1/FM2促进小基因组微生物(如2.09 Mb的Nitrospira)增殖，其携带narG/nirK等基因，反映环境选择压力下的功能特化。

科学价值与实践意义
该研究首次在黑土区建立"牛粪用量-微生物功能-作物响应"的定量关联，揭示15 Mg ha^-1牛粪配施通过三重机制提升系统效能：

1. 物理化学驱动：改善土壤结构(SOM↑/容重↓8.25%)，缓解酸化
2. 微生物组调控：富集Proteobacteria等富营养菌，优化N转化通路
3. 功能基因网络：关键基因(gdhA/nifA等)协同提升NUE

研究同时警示：过量牛粪(FM2)虽不增产，却可能通过促进narG介导的反硝化增加环境风险。这为《巴黎协定》农业减排目标提供了精准施肥的科学依据，也为合成微生物群落(SynComs)设计锚定了Nitrospira等靶向菌株。未来研究可结合多组学探究C-N-P耦合循环机制，推动黑土保护从"经验施肥"迈向"微生物精准调控"新时代。