氮和磷是植物生长必需的大量元素，是限制生态系统生产力的主要因子。不 同于化学合成的氮肥，磷肥的生产主要依赖于磷矿资源。由于磷矿储量少，农业 生产需要大量磷肥投入，而进入到土壤中的磷极易被吸附固定，使得磷肥的利用 率较低进而增加了对磷矿资源的需求。因此，磷被称为“正在消失的元素”。生态 系统氮磷循环之间存在强烈的耦合关系，微生物是氮、磷等生源要素生物地球化 学循环的主要驱动者，但目前对于微生物如何响应氮磷限制以及氮磷限制如何影 响氮循环过程等尚不清楚。因此本研究以红壤地区开展的长期定位观测试验地为 研究对象，研究了长期不同磷肥处理对红壤微生物代谢活性，土壤固氮速率和固 氮微生物多样性的影响，并探讨了参与微生物非磷脂生物合成的功能基因磷脂酶 C 编码基因（PlcP）在不同土壤中的分布特征及其对磷水平的响应，以期揭示磷 对土壤微生物和相关氮转化过程的影响及其与土壤氮磷养分供应的关系，以期为 理解陆地生态系统氮磷循环的耦合作用机制提供理论支撑，并为农田氮肥和磷肥 管理提供实践指导。论文取得主要结果如下：

      1、基于云南省曲靖市的旱地红壤长期施肥观测试验平台，我们研究了长期 不同施肥处理对土壤固氮酶活性、nifH 基因丰度、固氮微生物多样性和共存网络 关系等的影响。结果表明，与不施肥的对照（Control）相比，长期施用化学氮肥 （N，NP 和 NPK 处理）显著降低了土壤微生物生物量碳、nifH 基因丰度和固氮 酶活性。而施用有机肥则显著提高了土壤固氮酶活性、nifH 基因丰度和作物产量。 这与有机肥施用提高了土壤 pH，增加了固氮微生物的多样性，并富集了关键的 固氮菌生态类群（模块#2，主要包括 Bradyrhizobium，Pseudacidovorax 和 Azospirillum）密切相关。此外，与化学氮肥处理相比（平均度：5.316；节点： 392；边：1042），施用有机肥的处理（平均度：47.986；节点：1105；边：26512） 拥有更为复杂且稳定的固氮菌共存网络，增加了固氮菌群落对环境压力的抗性， 进而维持了较高的固氮潜力。相比于单施氮肥(N)和氮肥配施有机肥(NM)的处理， 施加磷肥(NP 和 NPM 处理)对土壤固氮速率和 nifH 基因丰度没有明显的促进作 用，可能由于氮肥对固氮微生物的抑制作用过强掩盖了磷的促进效应。

       2、为明确土壤微生物是否存在通过合成非磷脂替代微生物膜脂中的磷脂以 适应低磷胁迫的机制，基于模式海洋细菌 Roseobacter sp. 磷脂酶 C（PlcP）的蛋 白质序列，设计了 PlcP 基因的简并引物(PlcP_F102/R582)，并利用该引物对吉林 长白山(CBS)，江西鹰潭(YT)和千烟洲(QYZ)，湖南桃源(TY)和云南曲靖(QJ)的不 同氮、磷处理的土壤样品进行了定量 PCR 和高通量测序分析。结果表明，该基 因广泛存在于不同土壤中，其丰度在 CBS 和 QYZ 森林土壤以及 TY 水稻土（3.09  107 – 1.35 109 copies干土-1）中显著高于 YT 和 QJ 旱地红壤（2.39  106 – 3.51 107 copies干土-1），但在各样地的施磷和不施磷处理间差异不明显。测序 分析结果显示，含 PlcP 基因的微生物群落结构组成在不同样点间差异最大，且 在同一样点的不同施肥处理间明显不同。总体来看，PlcP 基因丰度和多样性在 各样点和各处理间的变化趋势与细菌 16S rRNA 基因基本一致。这些结果表明， 磷脂酶 C 编码基因 PlcP 广泛存在于土壤细菌基因组中，并与细菌的组成和丰度 密切相关，其可能作为微生物应对极端缺磷环境的一种适应性机制。但其在 DNA 水平上的丰度与土壤磷水平无明显关系，可能与这些土壤中磷的水平高于引起微 生物膜脂转换的阀值有关。

       3、进一步选取云南省曲靖市的一个磷残效长期观测定位试验，探讨了常规 施肥处理（Control）以及短期施入不同磷肥量（0，50，100，150 和 1000 kg P2O5hm-2） 后多年不再施用磷肥对土壤养分、氮循环过程和作物产量的影响，并通过多元统 计分析方法探讨了氮循环过程和土壤物理化学性质间的相互关系及其与磷的后 期效应的关系。结果显示，与常规处理相比，连续 6 年投入高剂量的磷肥（P1000） 后，停止施用磷肥 27 年，对土壤总碳、总氮和微生物生物量碳无显著影响，但 显著增加了土壤 pH 和矿化、硝化、生物固氮等氮循环相关过程的速率，同时显 著降低了土壤 N2O 排放潜能。相比于其他低磷梯度处理，P1000 处理对以上指标 的影响效应最强，多元统计分析表明有效磷和 pH 是影响以上土壤微生物活性最 主要的因子。作物产量在各处理中无显著差异，但与土壤有效磷和 pH 呈显著正 相关。以上结果表明，由于大量磷肥投入导致的土壤 pH 提升和磷的缓释效应， 使得磷肥在促进土壤肥力、土壤酶活、氮循环功能活性以及维持产量方面表现出 较强的后期效应。

        综上，本论文较系统揭示了红壤施磷肥和不施磷肥对土壤微生物代谢活性、 氮转化过程和固氮微生物的影响及作用机制，并发现参与微生物非磷脂合成的功 能基因 PlcP 在土壤微生物中广泛分布，可能作为微生物响应土壤低磷胁迫的一种机制。研究结果为农田施肥管理以及理解陆地生态系统氮磷循环耦合作用机制 提供了参考信息。