近幾十年來中國農(nóng)田的土壤酸化現(xiàn)象引起了廣泛關注。通過大范圍的調查發(fā)現(xiàn)，相比1980s，中國大部分農(nóng)田的土壤pH在2000s時均顯著降低（<0.05）?；瘜W氮肥的大量投入是造成土壤酸化的主要原因。高溫多雨的氣候特征使得南方紅壤本身就經(jīng)歷緩慢的“自然酸化”過程，土壤呈酸性、鹽基離子大量淋失、有機質含量低，因而更易遭受由施肥引起的“人為酸化”的影響。
本研究也證實，長期施用化學氮肥急劇加速了紅壤的酸化進程，N和NPK處理的土壤pH分別下降至4.02和4.15。土壤在不同的酸化階段，會經(jīng)歷不同元素的緩沖體系，尤其是當pH<4.2時，土壤進入Al緩沖體系使得大量的Al3+被釋放出來。因此，N和NPK處理的地上植物和地下微生物可能已遭受Al毒的危害。而在相同施氮量的基礎上，用有機氮肥替代70%的化學氮肥則具有良好的改酸效果。有機肥的堿度、有機氮的氨化作用和有機陰離子的脫羧反應是減輕土壤酸度的主要原因。并且，化肥有機肥配施（NPKM處理）也是改善土壤肥力的有效措施，其效果要明顯優(yōu)于NPK處理，而單施氮肥（N處理）不利于土壤肥力的提升。
紅壤本身呈酸性，長期自然選擇的結果使嗜酸性的酸桿菌具有較高比重。然而經(jīng)過25 a施肥，NPK和NPKM處理中酸桿菌相對豐度均顯著降低，變形菌成為最優(yōu)勢種群，其原因既與土壤pH變化有關，也因為酸桿菌屬于典型的貧營養(yǎng)型（即K策略者）細菌，大量投入的營養(yǎng)物質會抑制其生長，而變形菌屬于富營養(yǎng)型（即r策略者）細菌，土壤肥力提升會促進其生長。研究發(fā)現(xiàn)變形菌的相對豐度與土壤碳含量顯著正相關，本研究也證實土壤SOC是影響變形菌相對豐度的首要因素（表1）。綠彎菌和放線菌對有機肥施用非常敏感，甚至發(fā)現(xiàn)其相對豐度與有機肥的施用量呈負相關關系，本研究也發(fā)現(xiàn)NPKM處理顯著降低了綠彎菌和放線菌的相對豐度。但擬桿菌和厚壁菌不同，發(fā)現(xiàn)施用有機肥有利于提升其相對豐度，這與本研究結果一致。需要注意的是，與CK相比，NPKM處理中厚壁菌的相對豐度大幅提升了345.9%，且土壤AP的影響居首（表1），研究也有相似結果。本研究中，長期單施氮肥僅提高土壤TN含量，未從根本上改善土壤肥力狀況，但也造成了貧營養(yǎng)型的酸桿菌、富營養(yǎng)型的變形菌以及其他一些菌群相對豐度降低，其原因可能是嚴重的土壤酸化（N處理土壤pH僅為4.02）對這些微生物產(chǎn)生了強烈的環(huán)境脅迫；同樣，擬桿菌通常也被認為是富營養(yǎng)型微生物，但其相對豐度在NPK處理中顯著降低，也是因為土壤pH的脅迫作用超過了肥力改善的促進作用（表1）。
每一種微生物都具有獨特的生態(tài)位和特殊的生態(tài)功能，不同施肥措施造成的顯著差異微生物可以表征特殊的環(huán)境條件，因此具有很強的指示作用。具有降解土壤中復雜有機化合物的能力，發(fā)現(xiàn)長期秸稈還田顯著增加了紅壤水稻土中的相對豐度，本研究則證實長期施用豬糞也會增加旱地紅壤中的比例，而施用化肥的作用相反，并且受施N、NPK和NPKM的影響效應分別居各處理所有顯著差異細菌屬的第2、1、1位，因此它有可能作為評價土壤改良效果的敏感微生物指標。嗜酸性的酸桿菌屬于變形菌，其生態(tài)功能與土壤中的氮素固定或轉化密切相關，本研究發(fā)現(xiàn)N和NPK處理顯著增加了他們的相對豐度，但NPKM處理未表現(xiàn)出相似效果，這可能與它們偏好化學氮肥施用后的酸性土壤環(huán)境有關，也可能是因為NPKM處理的土壤氮素水平最高限制了它們的生態(tài)功能發(fā)揮。屬于變形菌，和屬于放線菌，各施肥處理均造成它們的相對豐度降低，表明它們對施肥極其敏感，相關性分析發(fā)現(xiàn)它們的相對豐度與TN、AN等土壤養(yǎng)分指標呈（極）顯著的負相關關系。
圖1基于STAMP分析的顯著差異細菌屬
長期施用豬糞或牛糞有利于維持砂姜黑土的細菌群落組成。本研究也發(fā)現(xiàn)，盡管長期不同施肥使旱地紅壤的細菌群落發(fā)生轉變，但CK和NPKM處理仍更相似，N和NPK處理更相似，并且土壤pH是造成這種結果的唯一原因，即兩處理細菌群落相似是因為它們具有相近的土壤pH。生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎，土壤微生物多樣性是土壤質量和健康的標志。本研究證明施用有機肥提高了土壤細菌多樣性，而單施氮肥會導致其大幅降低。尤其需要注意的是，長期施用化肥氮磷鉀也會降低土壤細菌多樣性，而“重化肥輕有機肥”正是近幾十年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的普遍現(xiàn)象。土壤細菌多樣性的降低，意味著土壤微生物生態(tài)功能的缺失，長期發(fā)展下去勢必會影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力。逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)（表1），決定細菌多樣性的首要因素也是土壤pH。
由上述分析可以看出，經(jīng)過25 a的長期施肥，雖然NPK和NPKM處理顯著改善了旱地紅壤的土壤肥力，尤其是土壤的速效養(yǎng)分含量（如AP）得到極大提升，但影響土壤優(yōu)勢菌相對豐度、細菌群落組成和多樣性的首要因素仍是土壤pH，這與許多研究認為是施肥造成的養(yǎng)分變化直接驅動了微生物群落轉變的觀點不同。造成這種不一致的主要原因是土壤pH的變化幅度，“橄欖球模型”可以解釋這種現(xiàn)象：即土壤在近中性環(huán)境（以橄欖球的中部表征），土壤養(yǎng)分對細菌群落的轉變有較強的驅動作用（橄欖球中部的橫截面半徑較大，以此表征養(yǎng)分指標驅動作用的強度和方向），隨著土壤酸化或堿化的加?。ㄒ蚤蠙烨虻膬啥吮碚鳎?，土壤pH對細菌群落轉變的影響越來越大，而土壤養(yǎng)分的作用被逐漸限制（趨向兩端，橄欖球橫截面的半徑縮?。Ｔ诒狙芯恐?，不同施肥使得旱地紅壤pH發(fā)生了顯著變化，尤其是長期單施化肥急劇加速了土壤酸化，土壤甚至已經(jīng)進入到危害嚴重的Al緩沖體系，土壤酸化的負面效應已遠超肥力改善的正面效應。而化肥有機肥配施在補充土壤養(yǎng)分的同時，也明顯改善了土壤酸度，更促進了土壤養(yǎng)分正面效應的充分發(fā)揮。
本研究側重考察了長期施肥對旱地紅壤細菌群落組成和多樣性的影響，這對于評估生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有指導意義，但就土壤生態(tài)功能發(fā)揮而言，土壤微生物的數(shù)量及活性等也至關重要，這有待將來進一步研究完善。此外，細菌雖然是土壤中種類最多、數(shù)量最大且目前研究最廣泛的一類微生物，但也不能忽視土壤中其他重要的微生物類群（如古菌、真菌等）以及具有特殊功能的微生物類群（如固氮菌、硝化細菌、解磷菌等），將來也有必要利用高通量測序技術研究它們對長期施肥的響應，這樣才能更全面、真實地了解施肥措施對旱地紅壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。
長期施用化肥嚴重加劇旱地紅壤酸化，化肥有機肥配施不僅大幅降低土壤酸度，而且對土壤肥力的改善效果最好。不同施肥措施使旱地紅壤細菌群落發(fā)生顯著變化，長期施用化肥降低了土壤細菌多樣性，而化肥有機肥配施明顯提高細菌多樣性。經(jīng)分析確定，土壤pH是影響旱地紅壤細菌群落的關鍵因素，土壤肥力的作用相對較弱，長期施用化學氮肥造成的紅壤酸化的負面效應已遠超肥力改善的正面效應。因此，旱地紅壤施肥應以防治土壤酸化為前提，化肥有機肥配施是一項適宜的施肥措施。
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