《Agronomy》：Nitrogen Leaching and Diversity of Ammonia-Oxidizing Archaea and Bacteria in Rice–Frog Co-Cultivation
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稻蛙共作（rice–frog co-cultivation）是一种可有效削减稻田氮（N）损失的有机农业模式。氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）与氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）共同
稻蛙共作（rice–frog co-cultivation）是一种可有效削减稻田氮（N）损失的有机农业模式。氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）与氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）共同介导硝化作用的限速步骤，但其在部分土壤类型中的相对贡献仍不明确。研究人员以上海为期两年的田间试验为平台，比较常规水稻（conventional rice，CR）、绿色稻蛙共作（green rice–frog，GR）与有机稻蛙共作（organic rice–frog，OR）三种栽培模式。研究监测氮淋溶损失，分析土壤性质，并定量AOA与AOB的amoA基因丰度及群落组成。结果表明：GR与OR的TN淋溶损失较CR分别降低14.82%与28.45%；淋溶液中NH4+为主，占CR、GR、OR总氮的58.10%、56.20%与49.02%。稻蛙共作显著提升AOA的amoA基因拷贝数，同时抑制AOB的amoA丰度。AOA与AOB群落结构受土壤NH4+、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）及pH显著驱动；其中AOA主要由NH4+与SOC塑造，AOB则主要受SOC调控。该整合系统可减缓氮淋失、改变土壤理化环境，并重塑氨氧化古菌与细菌的丰度及群落架构。
研究背景与问题提出
稻田是高产粮食系统，但过量氮肥投入导致氮素通过淋溶与径流进入水体，引发地表富营养化、藻华及地下水硝酸盐污染。传统单施化肥模式不仅氮利用效率低，也改变土壤氮循环关键微生物过程。氨氧化是硝化作用的第一且限速步骤，由氨氧化古菌（AOA，ammonia-oxidizing archaea）与氨氧化细菌（AOB，ammonia-oxidizing bacteria）共同完成；二者在不同施肥与土壤环境下存在明显生态位分化。尽管稻鱼、稻虾、稻鸭等共作系统已被证明可减肥减药、改善养分循环，但稻蛙共作对氮淋溶及氨氧化微生物群落的定量关联仍不充分，AOA与AOB在有机替代梯度下的响应机制尚未厘清。
研究人员开展的工作与核心结论
研究人员在上海青浦现代农业园区布置两年田间试验，设常规水稻（CR）、绿色稻蛙共作（GR，半量化肥半量有机肥）与有机稻蛙共作（OR，全有机肥）三类处理，总施氮量统一为300 kg N·ha?1。通过陶瓷吸杯采集60 cm土层淋溶液，测定总氮（TN）、铵态氮（NH4+-N）与硝态氮（NO3?-N）；同步提取根际土壤DNA，利用qPCR定量arch-amoA与bacterial amoA基因，并基于Illumina MiSeq高通量测序解析AOA与AOB的OTU（operational taxonomic unit，可操作分类单元）组成、α多样性及群落结构，结合RDA（redundancy analysis，冗余分析）解析土壤因子驱动关系。结论显示：稻蛙共作降低多形态氮淋失，OR降幅最大；AOA丰度上升且与氮淋溶负相关，AOB受抑且与氮淋溶正相关；土壤NH4+与SOC是群落组装的核心过滤器。
关键技术方法概述
研究采用田间定位试验与根系微域采样：以上海两年水稻季为样本队列，三种栽培模式各三重复。核心方法包括淋溶水化学分析、土壤理化检测、qPCR（定量荧光PCR）靶向定量AOA/AOB的amoA功能基因、MiSeq双端高通量扩增子测序划分OTU与门级分类，以及PCoA（主坐标分析）、RDA与环境因子相关性统计。方法重心在于把原位氮通量观测与微生物功能基因丰度、群落结构直接耦合，而非单纯描述物种名录。
研究结果
3.1 稻蛙共作下的氮淋溶损失
通过两年淋溶液体积与氮浓度时序加权计算，研究人员发现GR与OR的TN、NH4+-N、NO3?-N淋失均低于CR，OR最低；NH4+-N是主要淋失形态。结论：有机替代程度越高，氮淋溶风险越低。
3.2 古菌与细菌amoA基因定量
qPCR结果显示，OR处理AOA amoA拷贝数较CR提升约690.30%，而GR与OR中AOB amoA拷贝数下降逾94%。相关性分析表明AOA丰度与各类氮淋溶损失呈显著负相关，AOB则呈正相关，说明二者对氮流失风险有相反指示意义。
3.3 生境内多样性与主要门级组成
α多样性指数（ACE丰富度、Simpson多样性）在GR与OR中更高。AOA优势门为Thaumarchaeota与Crenarchaeota，OR富集Thaumarchaeota；AOB以Proteobacteria为主，OR中其相对丰度下降。结论：共作提升氨氧化微生物复杂性，并推动AOA优势化。
3.4 OTU富集与耗减格局
Venn与差异OTU分析显示，GR与OR共享更多特有OTU；相较CR，AOA中富集Candidatus Nitrosotalea及未分类Crenarchaeote类群，AOB中部分优势OTU被耗减。表明施肥结构改变筛选了不同功能谱系。
3.5 土壤属性与AOA/AOB群落联结
PCoA与RDA表明，NH4+与SOC是AOA组装的关键因子，SOC对AOB影响最强。稻蛙共作通过提升SOC、调节铵态氮，使氨氧化群落由AOB主导转向AOA主导，从而降低无机氮累积与淋失。
讨论部分总结
讨论指出，有机粪肥矿化过程中的微生物固持作用稳定了矿质氮，减少NO3?累积；AOA因更低底物亲和与更高效碳固定路径，在有机碳富集环境中占优，而AOB受抑削弱强硝化与淋失。研究未直接测硝化速率，但基因与淋溶通量关联支持“AOA上扬—AOB下沉”的减排机制。该发现补充了稻蛙系统氮循环微生物证据，也呼应其他稻渔系统结论。
结论翻译
相较常规水稻，稻蛙共作模式有效降低土壤TN、NH4+与NO3?淋失；GR两年平均减排14.82%，OR减排28.45%。NH4+-N占淋失总氮比例由CR的58.10%降至OR的49.02%。共作提升AOA与AOB的α多样性与丰富度，显著增强AOA amoA丰度并急剧压低AOB amoA丰度。OR富集AOA主导的Thaumarchaeota与Candidatus Nitrosotalea功能OTU，耗减AOB关联的Proteobacteria，形成明显生态位分化。AOA丰度与多形态氮淋溶负相关，AOB则正相关。土壤NH4+与SOC是驱动氨氧化群落演替的关键环境因子。优化稻蛙共作可改善土壤微环境、重塑氨氧化微生物结构，并削减稻田氮面源污染，是一种可持续生态稻作路径。
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