长期绿肥施用通过调控微生物功能基因与酶活性提升土壤磷有效性

针对矿物肥料替代与土壤磷循环机制不清的问题，研究人员通过10年田间试验结合宏基因组学，揭示紫云英绿肥替代化肥通过上调gcd、phoD等P循环功能基因（4%-80%），促进有机酸分泌和磷酸酶活性，驱动无机磷溶解与有机磷矿化，为农业系统减少磷肥依赖提供理论依据。

　　

磷（P）作为作物生长的关键元素，却因土壤中大部分以顽固态无机/有机形式存在而难以被利用。尽管化学磷肥能短期补充磷素，但其不可再生性及土壤固定问题日益凸显。更棘手的是，长期施用化肥导致土壤微生物功能退化，进一步加剧磷循环阻滞。紫云英（Astragalus sinicus L.）作为我国南方稻田常用绿肥，虽已知能提升土壤有效磷，但其通过何种微生物机制调控磷循环仍是一团迷雾。

针对这一难题，浙江省农业科学院等机构的研究团队通过10年田间定位试验，对比纯化肥（NPK）、紫云英替代20%化肥（Vetch）及不施肥对照（Control）处理，结合宏基因组学、磷酸酶活性检测与磷组分分析，首次系统解析了绿肥驱动微生物磷循环的分子机制。研究发现发表于《Applied Soil Ecology》，为生态农业磷管理提供了全新视角。

关键技术方法
研究依托浙江金华10年田间试验土壤样本（水耕人为土），采用宏基因组测序挖掘P循环功能基因（如gcd、phoD、phoN等），结合对硝基苯磷酸盐法测定酸性/碱性磷酸酶活性，并利用Hedley连续浸提法分级提取不同有效性磷组分（如NaHCO₃-OP）。通过微生物生物量碳氮、pH等指标评估土壤环境变化。

研究结果

1. 紫云英替代改变土壤基础特性
Vetch处理显著提升土壤微生物生物量碳（+24%）、氮（+35%）及总氮（+14%），但降低pH值。尽管总磷和NaHCO₃-OP（易溶性有机磷）分别降低8%和65%，有效磷水平却与NPK相当，暗示绿肥触发磷的净活化。

2. 功能基因群落重构驱动磷循环
Proteobacteria、Chloroflexi等主导P循环的菌门丰度变化与土壤总氮及SOC/TP比显著相关。宏基因组显示，Vetch处理显著上调多类功能基因：

• 无机磷溶解：产葡萄糖酸（PQQ-GDH基因gcd/pqqE）、延胡索酸（fumC）、乙酸（aldh）相关基因增加4%-80%；
• 有机磷矿化：酸性磷酸酶（phoN）、碱性磷酸酶（phoD）及碳-磷裂解酶（phnJ/N/W）基因丰度提升；
• 甘油-3-磷酸异化：glpB/F/R基因簇表达增强。

3. 磷酸酶活性与功能基因协同
phoN基因被确定为有机磷矿化的关键预测因子，其丰度与酸性磷酸酶活性呈正相关。Chloroflexi等携带功能基因的菌群扩增，直接推动磷酸酶活性上升，加速有机磷转化。

4. 磷组分动态与生物有效性
紫云英处理通过双重机制提升磷有效性：

• 生化途径：磷酸酶水解有机磷；
• 生物途径：微生物氧化直接释放有机质中的磷。

结论与意义
该研究首次阐明紫云英绿肥通过"功能基因-酶活性-磷组分"级联反应调控土壤磷循环的完整机制：

1. 基因层面：激活gcd、phoD等基因网络，促进有机酸分泌与磷酸酶合成；
2. 过程层面：同步强化无机磷溶解（化学机制）与有机磷矿化（生物/生化机制）；
3. 应用价值：为减少50%磷肥用量提供理论支撑，对实现"双碳"目标下的农业可持续发展具有重要实践意义。

研究创新性在于突破传统单基因（如phoD）研究局限，通过宏基因组全景解析P循环多通路协同机制，尤其发现phoN基因对有机磷矿化的决定性作用。这些发现为设计微生物靶向调控的绿肥管理策略奠定了科学基础。