微量元素生物有效性调控水稻土细菌群落与生物固氮的空间变异

《Nitrogen》：Trace Element Bioavailability Shapes Bacterial Communities and Biological Nitrogen Fixation in Paddy Soils

　　

生物固氮（biological nitrogen fixation, BNF）是水稻土中关键的氮源，但其空间变异性仍知之甚少。研究人员利用中国浙江省7个稻田的土壤开展了一项为期90天的¹⁵N₂标记试验，以量化总固氮量及固定氮在土壤剖面与植物组织中的积累，并通过16S rRNA基因测序表征细菌群落。总BNF范围为3.73 ± 0.39至9.95 ± 0.88 kg N ha^?1，其中ZH4的BNF速率比BNF速率最低的ZH7高近2.7倍。结果表明，亚表层（1–15 cm）是BNF的主要区域，其土壤固氮速率高出表层6.5倍，且表现出最强的位点依赖性变异。有效钼和有机质与总BNF强相关（r = 0.879，p < 0.009），容重和有效锰也呈强正相关。冗余分析显示，有机质和有效锰共同解释60.1%的细菌群落变异；相比之下，第二个模型解释了64.4%的群落变异，并将植物固定氮识别为显著解释变量。总体而言，这些发现表明，微量元素的生物有效性和亚表层过程对BNF的影响强于仅微生物多样性。

生物固氮（biological nitrogen fixation, BNF）是水稻土中重要的氮输入途径，对维持水稻产量具有长期意义。水稻是全球数十亿人的主粮，但化学氮肥利用率低，减少对合成氮肥的依赖是可持续农业的关键。BNF由携带固氮酶复合体的固氮微生物完成，其效率高度依赖土壤环境条件。已有研究多关注pH、有机碳和大量元素，但对微量元素生物有效性，尤其是钼（Mo）、锰（Mn）等在淹水氧化还原动态土壤中的作用认识不足。土壤中BNF的空间变异究竟由总体细菌多样性、潜在固氮菌群组成，还是位点特异土壤理化性质决定，尚不清楚。研究人员假设：BNF的空间变异与位点特异土壤理化性质以及潜在固氮菌群的组成和相对丰度关系更强，而非总体细菌多样性。为验证该假设，研究人员利用中国浙江省7个稻田（ZH1–ZH7）耕层（0–15 cm）土壤开展90天¹⁵N₂标记培养试验，并结合16S rRNA基因测序等方法展开研究。

关键方法：土壤样本来自中国浙江省7个稻田位点（ZH1–ZH7）的耕层（0–15 cm），培养实验在江苏省江都区小纪镇开展；采用90天¹⁵N₂标记盆栽试验量化固氮量；使用16S rRNA基因（V4区）扩增子测序表征细菌群落；测定土壤理化性质与微量元素（有效铁、锰、锌、铜、硼、钼等）；结合双因素方差分析、Spearman/Pearson相关分析、冗余分析（redundancy analysis, RDA）和随机森林回归（Random Forest regression）等统计方法解析驱动因子。

### 3.1 稻田土壤理化性质差异

7个位点的土壤理化性质差异显著，呈现强烈空间异质性。土壤质地变化范围大，pH介于5.40–8.20，容重、阳离子交换量、有机质、全量氮磷钾及有效磷钾均有明显差异。微量元素有效性变异尤其突出，有效铁、有效锰和有效钼范围分别为10.16–574.40 mg kg^?1、18.70–55.30 mg kg^?1和0.13–0.47 mg kg^?1。ZH7的pH、有机质、全钾、有效钾和有效