近几十年来中国农田的土壤酸化现象引起了广泛关注。通过大范围的调查发现，相比1980s，中国大部分农田的土壤pH在2000s时均显著降低（<0.05）。化学氮肥的大量投入是造成土壤酸化的主要原因。高温多雨的气候特征使得南方红壤本身就经历缓慢的“自然酸化”过程，土壤呈酸性、盐基离子大量淋失、有机质含量低，因而更易遭受由施肥引起的“人为酸化”的影响。
本研究也证实，长期施用化学氮肥急剧加速了红壤的酸化进程，N和NPK处理的土壤pH分别下降至4.02和4.15。土壤在不同的酸化阶段，会经历不同元素的缓冲体系，尤其是当pH<4.2时，土壤进入Al缓冲体系使得大量的Al3+被释放出来。因此，N和NPK处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础上，用有机氮肥替代70%的化学氮肥则具有良好的改酸效果。有机肥的碱度、有机氮的氨化作用和有机阴离子的脱羧反应是减轻土壤酸度的主要原因。并且，化肥有机肥配施（NPKM处理）也是改善土壤肥力的有效措施，其效果要明显优于NPK处理，而单施氮肥（N处理）不利于土壤肥力的提升。
红壤本身呈酸性，长期自然选择的结果使嗜酸性的酸杆菌具有较高比重。然而经过25 a施肥，NPK和NPKM处理中酸杆菌相对丰度均显著降低，变形菌成为最优势种群，其原因既与土壤pH变化有关，也因为酸杆菌属于典型的贫营养型（即K策略者）细菌，大量投入的营养物质会抑制其生长，而变形菌属于富营养型（即r策略者）细菌，土壤肥力提升会促进其生长。研究发现变形菌的相对丰度与土壤碳含量显著正相关，本研究也证实土壤SOC是影响变形菌相对丰度的首要因素（表1）。绿弯菌和放线菌对有机肥施用非常敏感，甚至发现其相对丰度与有机肥的施用量呈负相关关系，本研究也发现NPKM处理显著降低了绿弯菌和放线菌的相对丰度。但拟杆菌和厚壁菌不同，发现施用有机肥有利于提升其相对丰度，这与本研究结果一致。需要注意的是，与CK相比，NPKM处理中厚壁菌的相对丰度大幅提升了345.9%，且土壤AP的影响居首（表1），研究也有相似结果。本研究中，长期单施氮肥仅提高土壤TN含量，未从根本上改善土壤肥力状况，但也造成了贫营养型的酸杆菌、富营养型的变形菌以及其他一些菌群相对丰度降低，其原因可能是严重的土壤酸化（N处理土壤pH仅为4.02）对这些微生物产生了强烈的环境胁迫；同样，拟杆菌通常也被认为是富营养型微生物，但其相对丰度在NPK处理中显著降低，也是因为土壤pH的胁迫作用超过了肥力改善的促进作用（表1）。
每一种微生物都具有独特的生态位和特殊的生态功能，不同施肥措施造成的显著差异微生物可以表征特殊的环境条件，因此具有很强的指示作用。具有降解土壤中复杂有机化合物的能力，发现长期秸秆还田显著增加了红壤水稻土中的相对丰度，本研究则证实长期施用猪粪也会增加旱地红壤中的比例，而施用化肥的作用相反，并且受施N、NPK和NPKM的影响效应分别居各处理所有显著差异细菌属的第2、1、1位，因此它有可能作为评价土壤改良效果的敏感微生物指标。嗜酸性的酸杆菌属于变形菌，其生态功能与土壤中的氮素固定或转化密切相关，本研究发现N和NPK处理显著增加了他们的相对丰度，但NPKM处理未表现出相似效果，这可能与它们偏好化学氮肥施用后的酸性土壤环境有关，也可能是因为NPKM处理的土壤氮素水平最高限制了它们的生态功能发挥。属于变形菌，和属于放线菌，各施肥处理均造成它们的相对丰度降低，表明它们对施肥极其敏感，相关性分析发现它们的相对丰度与TN、AN等土壤养分指标呈（极）显著的负相关关系。
图1基于STAMP分析的显著差异细菌属
长期施用猪粪或牛粪有利于维持砂姜黑土的细菌群落组成。本研究也发现，尽管长期不同施肥使旱地红壤的细菌群落发生转变，但CK和NPKM处理仍更相似，N和NPK处理更相似，并且土壤pH是造成这种结果的唯一原因，即两处理细菌群落相似是因为它们具有相近的土壤pH。生物多样性是生态系统稳定的基础，土壤微生物多样性是土壤质量和健康的标志。本研究证明施用有机肥提高了土壤细菌多样性，而单施氮肥会导致其大幅降低。尤其需要注意的是，长期施用化肥氮磷钾也会降低土壤细菌多样性，而“重化肥轻有机肥”正是近几十年来我国农业生产中的普遍现象。土壤细菌多样性的降低，意味着土壤微生物生态功能的缺失，长期发展下去势必会影响生态系统的稳定性和生产力。逐步回归分析发现（表1），决定细菌多样性的首要因素也是土壤pH。
由上述分析可以看出，经过25 a的长期施肥，虽然NPK和NPKM处理显著改善了旱地红壤的土壤肥力，尤其是土壤的速效养分含量（如AP）得到极大提升，但影响土壤优势菌相对丰度、细菌群落组成和多样性的首要因素仍是土壤pH，这与许多研究认为是施肥造成的养分变化直接驱动了微生物群落转变的观点不同。造成这种不一致的主要原因是土壤pH的变化幅度，“橄榄球模型”可以解释这种现象：即土壤在近中性环境（以橄榄球的中部表征），土壤养分对细菌群落的转变有较强的驱动作用（橄榄球中部的横截面半径较大，以此表征养分指标驱动作用的强度和方向），随着土壤酸化或碱化的加剧（以橄榄球的两端表征），土壤pH对细菌群落转变的影响越来越大，而土壤养分的作用被逐渐限制（趋向两端，橄榄球横截面的半径缩小）。在本研究中，不同施肥使得旱地红壤pH发生了显著变化，尤其是长期单施化肥急剧加速了土壤酸化，土壤甚至已经进入到危害严重的Al缓冲体系，土壤酸化的负面效应已远超肥力改善的正面效应。而化肥有机肥配施在补充土壤养分的同时，也明显改善了土壤酸度，更促进了土壤养分正面效应的充分发挥。
本研究侧重考察了长期施肥对旱地红壤细菌群落组成和多样性的影响，这对于评估生态系统的稳定性具有指导意义，但就土壤生态功能发挥而言，土壤微生物的数量及活性等也至关重要，这有待将来进一步研究完善。此外，细菌虽然是土壤中种类最多、数量最大且目前研究最广泛的一类微生物，但也不能忽视土壤中其他重要的微生物类群（如古菌、真菌等）以及具有特殊功能的微生物类群（如固氮菌、硝化细菌、解磷菌等），将来也有必要利用高通量测序技术研究它们对长期施肥的响应，这样才能更全面、真实地了解施肥措施对旱地红壤生态系统的影响。
长期施用化肥严重加剧旱地红壤酸化，化肥有机肥配施不仅大幅降低土壤酸度，而且对土壤肥力的改善效果最好。不同施肥措施使旱地红壤细菌群落发生显著变化，长期施用化肥降低了土壤细菌多样性，而化肥有机肥配施明显提高细菌多样性。经分析确定，土壤pH是影响旱地红壤细菌群落的关键因素，土壤肥力的作用相对较弱，长期施用化学氮肥造成的红壤酸化的负面效应已远超肥力改善的正面效应。因此，旱地红壤施肥应以防治土壤酸化为前提，化肥有机肥配施是一项适宜的施肥措施。
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