根际碳氮循环对土壤养分转化及植物养分有效性具有重要影响。利用肥料长期定位试验可确切认识不同施肥制度下根际微生物参与土壤碳氮转化的机制,其阐明施肥的效应是短期试验所不能比拟。本论文以华北石灰性潮土长达36年的肥料长期定位试验为基础,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)、磷脂脂肪酸分析(PLFA)、稳定同位素探针(SIP)、定量PCR、454高通量测序、Illumina Mi Seq测序等现代分子生态学技术,结合大田与盆栽试验,研究长期施用有机肥料和无机肥料下作物(小麦和玉米)根际微生物群落结构与酶学特性、根际碳沉积转化过程、根际氨氧化过程、以及根际反硝化过程。论文取得的主要进展如下:1.长期施肥下作物产量与根际养分的变化特征。小麦和玉米根际p H显著低于非根际土壤,而全量、速效养分(NO3--N除外)含量高于非根际土壤。施用化肥或有机肥均可以显著提高作物产量,其中小麦产量较CK提高344%~521%,玉米产量较CK提高63%~68%;然而有机肥不仅具有增产效应,还能够增加根际有机碳和全氮含量,对培肥地力贡献较大。2.长期施肥下根际微生物量与胞外酶活性的消长规律。小麦根际土壤微生物量碳、氮和磷分别是非根际土壤的1.9、2.5和1.8倍,而微生物量碳/氮比值显著低于非根际土壤,表明更多的氮素被暂时固定在根际微生物体内,成为小麦氮素营养的潜在来源之一;化肥对根际微生物量影响不大,相反,有机肥处理下根际微生物量氮、磷提高85.8%~178.3%。作物根系对土壤酶具有明显的激发效应,根际11种胞外酶活性较非根际平均增加87%;长期施用有机肥提高了石灰性潮土α-葡萄苷酶、β-木糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡糖苷酶、磷酸酯酶和脲酶活性;然而,化肥对根际中大部分胞外酶活性具有抑制作用。3.长期施肥下根际微生物群落结构的响应机制。根际土壤PLFA总量较非根际平均增加84%,而G+/G-、细菌/真菌和放线菌/真菌比值均低于非根际土壤。长期施用有机肥显著提高了土壤PLFA总量,其含量是CK的1.7~2.0倍,微生物群落结构也显著不同于化肥处理。根际土壤中,G+/G-比值受有机肥影响较大,增幅为34.3%~36.9%,而细菌、真菌和放线菌丰度在化肥和有机肥处理间差异不显著。有机碳、氮素和p H是影响PLFA总量和群落结构变异的重要因子。DGGE测序分析表明变形菌(Proteobacteria)是石灰性潮土的优势菌群之一,且有机肥促进变形菌的生长。4.长期施肥下根际碳沉积的分解过程。小麦根际碳沉积分解转化过程中发挥关键作用的细菌类群为变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),二者占整个13C-根系分泌物标记微生物组的70%;而根际酸杆菌(Acidobacteria)、绿弯菌(Chloro?exi)、厚壁菌(Firmicutes)、拟杆菌(Bacteroidetes)主要参与土壤有机质的分解。施用32年有机肥后,石灰性潮土细菌多样性显著增加;而化肥处理选择性地刺激了少数微生物的生长,例如放线菌和硝化螺菌(Nitrospirae),导致土壤微生物多样性降低。5.长期施肥下根际氮素的氨氧化过程。不同施肥处理下小麦、玉米根际土壤硝化潜势在1.5~3.1μg NO3--N g-1 h-1之间,较非根际平均增加42.7%;研究表明,石灰性潮土氨氧化过程主要由氨氧化细菌(AOB)主导,而不是氨氧化古菌(AOA),尽管后者在数量上是前者的10倍。施用氮肥对根际氨氧化过程影响较大,显著改变了AOB群落结构,有利于亚硝化螺菌属(Nitrosospira)第3和4簇多样性的增加;而有机肥显著增加AOA数量,平均增幅为113.2%,对土壤硝化潜势和AOB数量的影响小于化肥处理。6.长期施肥下根际氮素的反硝化过程。小麦根系内部存在一个独特的反硝化过程。施肥后根系内生反硝化菌数量丰富,nir K、nir S和nos Z基因数量均能达到1.0×109 copies g-1 dw root以上,且N2O/(N2O+N2)比值高于土壤部分。Mi Seq测序结果表明,根系中nir K型、nir S型和nos Z型反硝化内生菌群落组成更加简单,多样性更低,其中79%集中分布在假单胞菌目、黄单胞菌目、伯克氏菌目、根瘤菌目和红细菌目。化肥或有机肥均显著降低了根系nir K/nir S比值,提高了根系N2O释放比例。总之,长期单施化肥提高了石灰性潮土根际放线菌、硝化螺菌数量,尤其促进了AOB生长,加速铵态氮向硝态氮转化,但降低了土壤微生物多样性及根际胞外酶活性;而长期配施有机肥可增加根际绿弯菌、拟杆菌及厚壁菌数量,增加氨氧化古菌及反硝化基因数量,能够将施用化肥所改变的细菌群落向其初始的状态进行恢复。