深耕改善亚热带红壤物理结构及调控氮循环微生物群落的机制研究

《Frontiers in Microbiology》：Deep plowing improves soil physical structure and alters nitrogen-cycling microbial communities in a subtropical red soil region

本综述系统探讨了不同耕作深度（旋耕RT、中深耕DTM、深耕DP）对亚热带红壤区土壤结构、养分动态及氮循环微生物（特别是氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB）群落的调控作用。研究发现，RT通过富集表层有机碳（SOC）、全氮（TN）和微生物生物量（MBC、MBN）维持较高生物活性，而DP通过改善土壤孔隙度（SP）和容重（BD）促进硝化作用及AOB多样性，最终提升烟叶优质品比例。研究强调深耕结合有机改良是优化土壤生态功能、实现农业可持续发展的关键路径。

　　

1 引言

耕作实践通过机械扰动深刻影响土壤生态系统。旋耕（RT）可将作物残体混入表层土壤，提升养分有效性和孔隙度，但长期RT易导致土壤板结、耕作层变浅，阻碍根系下扎。相比之下，深耕（DP）通过翻转30厘米以下土层，扩展耕作深度，改善深层土壤通气性，促进根系深扎。随着农业机械技术进步，DP的能耗成本显著降低，但其对土壤养分动态、微生物群落及作物品质的调控机制尚不明确。

土壤微生物是养分转化的关键驱动者，其中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）作为硝化作用的核心功能菌群，催化铵（NH₄⁺）向硝酸盐（NO₃^-）的转化，直接调控氮素可利用性，并影响温室气体N₂O的排放。AOA偏好低铵、酸性或干旱环境，而AOB在高铵、通气良好条件下占优。耕作通过改变土壤团聚体结构、氧气梯度和有机质分布，进一步塑造AOA/AOB的生态位分化。此外，微生物共现网络分析可揭示环境扰动下微生物互作模式的变化，为理解氮循环稳定性提供新视角。

本研究通过三年田间试验，系统比较RT（15厘米）、DTM（25厘米）和DP（35厘米）对烟草系统土壤理化性质、酶活性、微生物生物量及AOA/AOB群落的影响，旨在阐明：（1）耕作深度如何调控土壤养分和生物活性；（2）AOA/AOB群落多样性及结构对耕作的响应；（3）深耕是否增强氮循环微生物网络的稳定性；（4）耕作通过何种路径协同调控烟草品质与经济价值。

2 材料与方法

试验位于云南省保山市典型亚热带红壤区，土壤为黏质红壤。设置三种耕作处理，每年休耕期实施一次，基肥施用和农艺管理一致。土壤样品于2021年烟草收获期按0–20厘米和20–40厘米分层采集，测定理化指标（SOC、TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、AP、AK、pH、BD、SP）、酶活性（脲酶、纤维素酶、蔗糖酶）和微生物生物量（MBC、MBN）。通过扩增amoA基因进行Illumina测序，分析AOA/AOB群落组成与多样性，并构建共现网络。采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析土壤性质、微生物特征与生产效益的因果关联。

3 结果

3.1 耕作对土壤养分与理化性质的影响

RT在0–20厘米层显著提升SOC、TN、AP、AK含量，但DP在该层NO₃^--N最高，表明其促进硝化作用。在20–40厘米层，RT仍维持较高SOC、TN和AP，而DP显著增加NO₃^--N和AK。RT处理下土壤容重（BD）最高、孔隙度（SP）最低，DP则显著降低BD、提高SP，改善深层通气条件。土壤pH在各处理间无显著差异。

3.2 耕作对土壤酶活性与微生物生物量的影响

RT在0–20厘米层维持较高纤维素酶和蔗糖酶活性，DTM则显著抑制二者活性。在20–40厘米层，RT的脲酶和纤维素酶活性高于DP。RT处理下MBC和MBN在两层均最高，DTM的微生物生物量最低，可能与有机碳稀释和氮素限制有关。

3.3 氨氧化微生物群落结构与多样性

AOA优势类群为norank_d_Bacteria、norank_p_Thaumarchaeota和norank_p_Crenarchaeota，RT富集前两者，DTM和DP富集后者。AOB以Norank_d_Bacteria、Nitrosospira和Nitrosomonadaceae为主，DP显著提升Nitrosomonadaceae相对丰度。Mantel分析显示AOA群落与NO₃^--N、TN、AP、AK、BD、SP显著相关，AOB则主要受NH₄⁺-N和蔗糖酶驱动。DP显著提高AOB的Shannon多样性指数，RT和DP提升AOA多样性，DTM则抑制二者多样性。

3.4 氨氧化微生物共现网络特征

DTM和DP增加AOA网络的连接数，提升互作复杂性；RT则使AOB网络具有最高连接度和模块性。DP在AOA和AOB网络中均呈现高模块化，表明其促进功能模块的分化与稳定性。

3.5 耕作对烟草产量、品质与价值的影响

各处理间产量和总产值无显著差异，但DP显著提高上等烟叶比例（77.15%）。PLS-PM表明，土壤微生物生物量是生产效益的最强直接正向驱动因子（路径系数=1.303），通过增强酶活性间接促进养分转化。土壤理化性质（pH、SP、BD）和养分含量通过调控微生物群落多样性间接影响生产效益。

4 讨论

4.1 耕作深度驱动土壤养分分层与物理结构

RT通过减少扰动促进表层有机质积累，但导致容重升高、孔隙度下降，抑制硝化作用；DP则通过改善深层通气性加速有机碳矿化，提升硝酸盐含量。钾素在DP处理下向深层迁移，反映深耕对养分重分布的促进作用。

4.2 土壤生物活性受耕作深度与环境因子调控

RT通过维持基质可用性支持较高酶活性和微生物生物量，DTM则因碳氮双重限制抑制微生物生长。DP虽降低总生物量，但通过优化物理环境提升微生物代谢效率。

4.3 AOA/AOB群落响应耕作诱导的环境梯度

AOA与养分和物理性质关联密切，AOB更依赖铵态氮和碳源供应。DP通过创造异质性生境提高AOB多样性，DTM则因资源匮乏导致群落均质化。需注意本研究仅分析0–20厘米层微生物，深层群落变化需进一步探明。

4.4 微生物网络揭示耕作对氮循环稳定性的影响

DTM增强AOA互作但降低模块性，RT维持AOB网络高度连接，DP则通过高模块化促进功能分工。这些结构差异反映了耕作对微生物协作模式的深度重塑。

4.5 土壤性质与微生物路径协同调控作物品质

DP虽未显著提高产量，但通过改善土壤结构、激活硝化功能群，提升烟叶优质品率。微生物生物量的直接驱动作用凸显其作为土壤健康核心指标的重要性。长期深耕需结合有机改良以抵消碳损耗，实现可持续生产。

5 结论

深耕（DP）通过优化红壤物理结构和氮循环微生物功能，提升作物品质；旋耕（RT）利于维持养分和生物量。建议根据区域土壤条件选择耕作策略，并将深耕与有机管理结合，以平衡短期效益与长期生态可持续性。