大蒜-水稻轮作系统中提高氮利用效率及同时增加N?O排放的微生物驱动因素

《Applied Soil Ecology》：Microbial drivers of enhanced nitrogen use efficiency and concurrent N 2O emissions in a garlic–rice rotation system

本研究通过整合宏基因组测序与土壤化学及植物生理分析，揭示了大蒜-水稻轮作系统相较于小麦-水稻系统，通过增强土壤微生物多样性及关键菌属（如Sulfurivermis和Rhizomicrobium）的丰度，促进氮固定、硝氧化和反硝化相关基因表达，从而提高水稻氮积累效率，尽管增加了N2O排放。

　　

陈艳秋|胡志涛|季成阳|宋文文|倪鑫|金春莲|陈勇|邓飞|雷小龙|陶有峰|程洪|任万军|周伟

中国农业农村部/四川农业大学西南生态生理与农业系统重点实验室，成都，611130，中国

摘要

水稻种植严重依赖氮（N）的投入；然而，由于肥料利用效率低下以及通过微生物介导的过程导致氮流失，使得氮的利用效率（NUE）低下，并引发环境污染。因此，了解作物系统如何调节土壤氮代谢至关重要。本研究旨在阐明大蒜-水稻（GR）轮作系统与传统小麦-水稻（WR）轮作系统相比，在土壤氮转化和利用方面的微生物机制差异。通过将宏基因组测序与土壤化学分析和植物生理分析相结合，我们发现尽管GR系统增加了41.41%的N₂O排放量，但水稻植株中的氮积累量（增加了23.07–38.18%），土壤总氮含量也有所增加。这些变化是由GR系统中更复杂和多样的土壤微生物群落驱动的，该群落特别富集了一些关键细菌属，如和。宏基因组功能注释显示，GR系统显著增加了参与固氮（nifD/H/K）、一氧化氮解毒（hcp）和反硝化（nirK, norB, nosZ）的基因丰度。结构方程模型进一步确定是一个潜在的关键类群，其与铵的产生过程和植物氮吸收以及N₂O排放量之间存在强烈的正相关关系。因此，GR轮作通过选择性地富集关键微生物和功能基因，使得土壤氮代谢更加活跃和高效。这些发现揭示了GR土壤中氮循环的遗传潜力变化，这与观察到的植物氮吸收和N₂O排放量差异有关。

引言

水稻是全球35亿多人的主要粮食作物。氮是水稻生长所必需的大量营养元素。在中国，稻田每年施用的氮肥量达到630万吨（Cai等人，2023年），占2022年农业氮肥总投入的25.79%。然而，其利用率仅为30–40%（Birong等人，2024年）。过量施用氮肥会导致通过硝化、挥发和淋溶等方式造成氮的损失，加剧了水体富营养化等环境问题（Guo等人，2010年；Zhang等人，2015年）。

水稻通常与旱地作物轮作以提高土地利用效率并优化光照和温度的利用（Timsina等人，2010年；Fuhrmann等人，2018年）。稻田与旱地作物的交替种植由于周期性的湿润-干燥循环以及作物类型和管理方式的差异，显著影响了土壤微生物群落结构和功能代谢（Chen等人，2022年）。作物轮作可以调节反硝化基因（nirK, nosZ, nirS）的丰度，从而影响N₂O的排放（Maul等人，2019年；Linton等人，2020年）。大蒜-水稻轮作显著增加了nifH, nirS, nirK, nosZ的丰度，而绿肥-水稻轮作则显著提高了nifH的丰度（Li等人，2022年）。

微生物的功能潜力是土壤氮代谢和循环的主要驱动力。包括Trichodesmium、Crocosphaera watsonii和Nodularia在内的多个属具有固氮能力，能够将N₂转化为铵（Berman-Frank等人，2003年）。Nitrosomonas可以将铵氧化为硝酸盐（Daims等人，2015年），而Proteobacteria、Bacteroidota和Chlorellales的成员则将N₂O转化为N₂（Cabello等人，2004年）。微生物利用特定基因编码的酶来执行特定功能。例如，土壤细菌Azotobacter vinelandii中的基因编码的氮酶铁氧还蛋白，可将分子氮还原为氨或其他含氮化合物（Zehr等人，2003年），从而使水稻植株能够吸收和利用这些氮。

我们之前对不同稻田-旱地轮作的比较研究表明，大蒜-水稻轮作（GR）增加了有益微生物的丰度（Liu等人，2025年），增强了氮的保持和供应能力，并促进了水稻植株对土壤氮的吸收和利用（Zhou等人，2020年；Zhou等人，2023年）。然而，GR系统如何通过改变微生物群落及其功能来优化土壤氮代谢的机制仍不清楚。

基于GR轮作观察到的农艺效益，我们假设氮利用效率（NUE）的提高是由土壤微生物群落结构和功能的改变所驱动的。本研究旨在阐明：（1）GR和WR系统下土壤微生物群落结构和多样性的差异；（2）两种轮作系统中调节土壤氮代谢的功能基因丰度动态和关键代谢途径；（3）GR和WR系统中土壤化学性质、微生物群落及关键氮代谢途径之间的相互作用。我们于2014年9月启动了一项长期定位实验，将宏基因组测序与代谢途径分析相结合。通过阐明GR种植优化土壤氮代谢的微生物机制，本研究旨在为农业生产力与环境可持续性之间的平衡提供见解。

实验地点

试验在一个长期种植GR和WR轮作系统的指定田地进行。2014年，在四川农业大学崇州市的现代农业研究与发展基地进行了田间实验（30° 33′ N, 103° 38′ E）。土壤的物理化学性质见表S1。该地区气候属于湿润亚热带，受季风影响，年平均温度为15.9°C，年日照时间为1161.5小时。

系统氮命运的差异

GR和WR轮作在总N₂O排放量、土壤氮含量以及水稻植株的氮吸收量方面存在显著差异（图1）。与WR相比，GR在BT期间NO₃^?-N含量减少了23.19%（p < 0.01）；在JS期间，NO₃^?-N和NH₄⁺-N含量分别减少了18.71%和11.50%（p < 0.01），而MS期间TN和NH₄⁺-N含量分别增加了6.60%和36.92%（p < 0.001）。从BT到JS（T1），GR显示

稻田-旱地轮作对土壤环境和微生物群落的影响

稻田-旱地轮作是一种被广泛认可的策略，可以改善土壤的物理化学性质并缓解持续积水带来的问题，如土壤结构退化和酸化（Chen等人，2012年；Zhou等人，2014年）。水-陆轮作中厌氧和好氧条件的频繁交替加速了土壤碳和氮的循环，促进了土壤有机质的分解，有利于养分的释放

结论

在本研究中，我们发现与WR相比，GR显著增强了土壤氮的转化和植物氮的积累，主要是通过调节土壤微生物群落结构和功能实现的。GR增加了土壤细菌群落的多样性和网络复杂性，富集了关键类群如和，并上调了参与固氮、羟胺还原和反硝化的关键氮循环基因。特别是

CRediT作者贡献声明

陈艳秋：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、数据管理。胡志涛：可视化、方法学、研究、数据管理。季成阳：研究、数据管理。宋文文：研究、数据管理。倪鑫：方法学、研究。金春莲：方法学、研究。陈勇：撰写——审稿与编辑、项目管理。邓飞：撰写——审稿与编辑。雷小龙：撰写——审稿与编辑。陶有峰：资源支持。

资助

本研究得到了四川省科学技术厅（2026NSFSC0198）和国家重点研发计划（2022 YFD2300701）的支持。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：任万军报告称获得了国家重点研发计划的财务支持。周伟报告称获得了四川省科学技术厅的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响研究结果。

致谢

作者衷心感谢四川农业大学稻田实验室的所有成员提供的建议和帮助。