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为探究有机无机施肥对集约水稻种植下碱性磷酸酶（ALP）产生微生物及有效磷（AP）的影响，研究人员开展 39 年不同施肥制度实验。结果表明，有机无机配施可优化 phoD 微生物群落，提升土壤 AP 含量。该研究为南方水稻种植提供微生物机制依据。
在农业生产中，磷（P）是所有生命形式赖以生存的关键大量营养素，对植物的核酸合成、蛋白质运输以及光合作用等基础生物过程至关重要。然而，与碳、氮不同，磷缺乏大气来源，主要在土壤和植物间的相对封闭系统中循环。土壤中的磷以无机正磷酸盐和有机磷（OP）形式存在，其中无机正磷酸盐易被植物和微生物吸收利用，但仅占土壤总磷的一小部分；有机磷含量变化较大，常占土壤总磷的重要部分，却限制了植物和微生物的吸收，全球范围内，磷限制已成为制约陆地生态系统生产力的关键因素。
在中国，耕地面临着磷供应不足的挑战。北方的石灰性土壤中，游离正磷酸盐易被固定沉淀为钙盐；南方的酸性土壤里，正磷酸盐则会被铁（Fe2+）和铝（Al3+）的（氢）氧化物吸附或沉淀为铁铝盐。为保证作物产量，过去五十年，中国农业生态系统中大量施用化学磷肥。但这些人工磷肥的利用率极低，很少超过 15% ，这不仅导致不可再生磷矿储量的消耗，还引发了农业土壤微生物多样性降低、水体富营养化等一系列环境问题。因此，探寻既能减少化肥使用，又不影响作物产量和环境健康的替代方法迫在眉睫。
在此背景下，化学肥料与有机肥料的联合施用成为维持土壤生产力和保障作物高产的有前景策略。有机肥料能补充土壤有机碳（SOC），改善土壤结构，增加微生物生物量和多样性，其中的微生物和酶还能参与养分转化，提高土壤养分有效性。在不同种植系统中，这种施肥方式都取得了显著成效。土壤中磷的转化主要依赖微生物的调节，土壤微生物分泌的胞外磷酸酶能将有机磷转化为生物可利用的磷，其中非特异性碱性磷酸酶（ALP，EC: 3.1.3.1）是土壤有机磷转化的关键水解酶，由 phoD、phoA 和 phoX 等基因编码合成，phoD 基因因其在土壤微生物群落中的普遍性和丰富性，成为微生物产生 ALP 的最具代表性基因。众多研究表明，phoD 基因丰度与土壤 ALP 活性、土壤有效磷（AP）含量密切相关。
不过，不同施肥制度对含 phoD 基因的微生物群落影响各异，受土壤类型、有机肥类型、种植方式和作物轮作方法等多种因素制约。例如，在不同土壤类型中，相同施肥处理对含 phoD 基因微生物群落的影响大不相同。此外，稻田土壤与旱地土壤不同，长期处于淹水缺氧状态，其有机磷矿化动态独特，在高强度多季水稻种植下，有机肥对维持作物产量和土壤磷水平虽有效果，但其中的微生物过程尚不明确。
为深入探究这些问题，来自国内研究机构的研究人员开展了一项长达 39 年的稻田土壤施肥实验。该研究成果发表在《Applied Soil Ecology》上，为南方集约水稻种植下土壤磷动态的微生物过程提供了重要依据，有助于推动可持续农业实践。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先，对土壤样本进行采集与处理，获取不同施肥处理下的土壤样本。然后，通过化学分析方法测定土壤性质和磷组分，包括土壤 pH、SOC、不同形态的磷含量等。针对微生物相关指标，采用了分子生物学技术，如对编码 ALP 的微生物群落进行分析，研究 phoD、phoA 和 phoX 基因相关的微生物群落结构、功能强度、丰度和多样性等，以探究施肥对微生物群落的影响机制。
不同施肥处理对土壤性质和磷组分的影响
研究发现，经过 39 年不同施肥处理，土壤性质发生显著变化。施肥使土壤 pH 从对照（CK）的 5.96 降至无机肥处理（NPK）的 5.68，但 NPK 处理与 50M + 50NPK、30M + 70NPK 处理之间 pH 无显著差异。施肥还不同程度地增加了 SOC 含量，表现为 50M + 50NPK（26.76 g kg-1）≥70M + 30NPK（24.75 g kg-1）≥30M + 70NPK（24.21 g kg-1）> NPK（20.56 g kg-1）> CK（15.73 g kg-1） 。这表明有机无机配施在提高土壤有机碳含量方面效果显著。
有机无机施肥增加土壤养分和磷水平
研究人员前期研究表明，在 32 年的集约水稻种植中，化学肥料与有机肥配施（70M + 30NPK 处理）相比单施化肥，能持续带来更高的水稻产量。本研究进一步证实，有机无机施肥不仅能提高作物产量，还能显著增加土壤中的磷水平，提升土壤肥力，为作物生长提供更充足的养分。
有机无机施肥对编码 ALP 的微生物群落的影响
长期施肥显著改变了编码 ALP 的微生物群落结构和组成。有机无机施肥显著增强了产 ALP 微生物的功能强度、丰度和多样性，尤其是含 phoD 基因的微生物，而含 phoA 和 phoX 基因的微生物群落变化较小。在门水平上，各处理含 phoD 基因的微生物组成一致，变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）为优势类群，但各处理中排名前十的微生物属对土壤 ALP 活性的贡献不同，体现了群落内的功能多样性。
含 phoD 基因微生物与土壤 ALP 活性及 AP 含量的关系
通过贝叶斯结构方程模型分析发现，有机无机施肥使土壤中较高的 OP 含量优化了含 phoD 基因的微生物群落，增强了 ALP 活性，促进了土壤 OP 的转化，最终提高了土壤 AP 含量。含 phoD 基因的微生物是土壤 ALP 活性的主要贡献者，对维持土壤磷有效性起着关键作用。
研究表明，有机无机施肥在集约水稻种植系统中对改善土壤肥力和养分有效性意义重大。不同施肥制度显著影响编码 ALP 的微生物群落结构和组成，有机无机配施可优化含 phoD 基因的微生物群落，增强微生物功能，提高土壤 AP 含量。该研究揭示了南方集约水稻种植下有机无机施肥提高土壤磷有效性的微生物机制，为可持续农业中合理施肥提供了科学依据，有助于在保障作物产量的同时，促进土壤生态系统的健康发展，减少环境压力，推动农业可持续发展迈向新高度。
