现代农业生产中,大量施用化肥以达到作物高产的施肥方式不仅引起了一系列的环境问题还导致了耕地质量的下降。为了维持农业可持续性发展,通过养分优化管理减少投入、提高效率和土壤的可持续性生产能力已成为农业生产的迫切需求。养分优化管理在使作物达到高产和高效的同时,也会对土壤微生物产生直接或间接的影响。土壤微生物在驱动土壤养分循环、作物养分供应及土壤培肥的过程中发挥了决定性的作用,了解作物高产高效下的微生物群落特征可以为土壤的可持续性管理提供科学支撑。本研究采用田间试验与室内培养实验相结合的方法,研究了作物高产高效的养分优化管理模式下,作物群体和土壤微生物群落特征。田间试验于2014年6月-2016年11月在江苏省如皋市农业科学研究所进行,试验共设三种主要不同的氮肥管理方式:不施氮（PK）、农民习惯施肥（Farmers’Fertilization Practice,FFP）和养分优化管理（Optimized Fertilization Treatment,OPT）,其中 OPT 包括三种不同施肥方式:O-NPK（优化氮肥施用量和运筹模式,施用的氮肥为化肥）、O-NPKM（在O-NPK处理的基础上用有机肥替代20%化肥氮）和OR-NPKM（在O-NPK处理的基础进一步减去20%化肥氮,然后用有机肥替代20%化肥氮）。研究内容主要包括养分优化管理对水稻和小麦产量以及氮素利用率的影响。同时利用高通量测序（High-throughput sequencing）的方法研究了稻麦土壤微生物群落特征。最后,在室内土壤培养条件下,我们采用了DNA稳定性同位素探针（DNA stable isotope probing,DNA-SIP）与高通量测序相结合的方法研究了养分优化管理下不同施肥方式对参与小分子有机物和作物凋落物利用的相关微生物及硝化相关微生物的影响。主要研究结果如下:1、养分优化管理通过优化群体结构同时协调籽粒生长发育实现与农民习惯施肥处理同等的高产水平。与FFP处理相比,O-NPK处理水稻产量在2015年和2016年分别提高了 5.82%和5.04%,小麦产量分别提高了 4.23%和6.9%;O-NPKM处理稻麦产量均与FFP处理无显著性差异,而OR-NPKM处理中稻麦产量则有降低趋势。O-NPK和O-NPKM处理显著提高了水稻第7-12枝梗的穗粒数、结实率、千粒重以及小麦的千粒重,其中各优化施肥处理水稻千粒重的增加与强势粒库活性高、灌浆速率快有关。2、养分优化管理通过调控水稻和小麦各生育期氮素的吸收、各器官的氮素分配来影响氮素的利用效率。在稻麦孕穗前期,FFP处理的生物量和氮素累积量均高于各优化施肥处理,然而这种差异在后期逐渐缩小,至成熟期时O-NPK和O-NPKM均可以达到与FFP相同的生物量和氮素累积水平。与FFP相比,各优化施肥不仅提高了水稻和小麦花前储存氮素的转运率和回收效率,还促进了植株茎叶中的氮素向穗中分配;与FFP处理相比,各优化处理均显著提高了水稻和小麦的氮素偏生产力（PFPN）、氮素农学效率（AEN）和氮素回收效率（REN）。3、不同的养分管理方式显著影响土壤细菌和真菌的群落结构,且群落结构的变化与土壤理化性质紧密相关。土壤速效磷（Available phosphorus,AP）和速效钾（Available potassium,AK）含量是影响水稻季和小麦季土壤细菌和真菌群落结构变化的主要因子。此外,小麦季土壤细菌群落结构的改变还受到土壤中NO3--N含量的显著影响。养分优化管理通过改变微生物门水平的相对丰度进而提高作物氮素利用率,如在小麦季土壤中提高 Chloroflexi、Cyanobacteria、Acidobacteria 的相对丰度,降低 Proteobacteria、Gemmatimonadetes、Verrucomicrobia、Gemmatimonadetes 和 Chytridiomycota 的相对丰度。而在水稻季土壤中,降低Proteobacteria和Firmicutes的相对丰度,提高Nitrospirae和Basidiomycota的相对丰度则有利于水稻氮素利用率的提高。不同养分管理方式下,水稻季土壤细菌群落结构的改变会显著影响产量,而小麦产量则同时受到土壤细菌和真菌群落结构的改变的影响。4、养分优化管理下不同施肥方式显著影响与葡萄糖利用相关的细菌和真菌的群落。DNA-SIP的结果显示,在NPK（单施化肥）处理的土壤中发现有129个与葡萄糖同化相关的细菌OTU（Operational Taxonomic Unit）,在NPKM（有机无机配施）处理土壤中有59个细菌OTU;在NPK和NPKM处理土壤中分别发现了 10个和11个与葡萄糖同化相关的真菌OTU。在NPK和NPKM处理的土壤中,以13C-葡萄糖为主要碳源的细菌菌群均属于Firmicutes和Proteobacteria;主要的真菌类群为Ascomycota、Glomeromycota 和 Basidiomycota。细菌中的 Clostridium、Bacillus以及真菌中的Fusarium、Cylindrocarpon和Paralomus等是普遍存在于NPK和NPKM中的同化利用葡萄糖的主要属。此外,不同施肥处理还存在不同的可以利用葡萄糖的细菌和真菌类群,如NPK处理土壤中的Paenibacillus和Sporomusa以及NPKM处理土壤中的Azotobacter 和 Nectria。5、养分优化管理下不同施肥方式显著影响利用水稻秸秆碳相关微生物的群落组成。（1）在水稻秸秆分解和利用过程中,细菌中的Proteobacteria和Actinobacteria在整个培养时期均占据主导作用,约占被13C-标记总细菌群落的94%左右;而真菌群落则由Ascomycota主导了水稻秸秆碳的分解和利用。（2）不同施肥方式显著改变了同化利用水稻秸秆的细菌和真菌的群落组成。与NPK相比,NPKM提高了土壤中Lysobacter和降低了Strepomyces的相对丰度。对于真菌来说,施用有机肥可以提高土壤中Syncephalis的相对丰度,而降低Trichoderma的相对丰度。（3）在不同施肥处理中占主导作用的细菌属随着时间的变化规律相似,施用有机肥则提高了大部分真菌属对作物秸秆的响应速度。（4）施用有机肥可以使利用作物秸秆碳的微生物网络结构更加复杂,且与单施化肥相比,改变了模块内部（模块枢纽）和模块间（连接者）的关键物种。6、长期不同施肥方式显著影响土壤的硝化作用及其相关微生物的丰度。单施化肥（Chemical Fertilizer,CF）显著降低了 土壤硝化潜势（Potential Nitrification Rate,PNR）与土壤氨氧化古菌（Ammonia Oxidizing Archaea,AOA）的丰度,提高了氨氧化细菌（Ammonia Oxiding Bacteria,AOB）的丰度;而在施用有机肥的土壤（Organic Fertilizer,OF）中PNR、AOA和AOB的丰度均显著提高。利用DNA-SIP技术进一步分析并鉴定活跃的硝化微生物,结果表明在不施肥（CK）和OF的土壤中由AOA和AOB共同行使氨氧化作用,而在CF处理中仅由AOB行使氨氧化功能。不同施肥处理的土壤中均由硝化螺旋菌（Nitrospira-like Nitrite Oxiding Bacteria,Nitrospira-like NOB）执行亚硝酸盐的氧化。与CK相比,施肥显著改变了 Nitrospira-like NOB的组成,在CF和OF处理的土壤中97%-100%的被标记的NOB属于Nitrospira lineage Ⅱ。施肥对活跃氨氧化微生物的组成影响较小,如Nitrososphaera subcluster 1.1在CK和OF处理中分别约占被标记AOA的91.62%和90.62%;而Nitrosospira cluster 3a.1在CK、CF和OF处理中分别约占被标记AOB的97.51%、98.4%和99.44%。回归分析显示硝化潜势与活跃的 AOA（Nitrososphaera subcluster 1.1）和 AOB（Nitrosospiracluster 3a.1）种群之间存在显著的正相关关系,表明Nitrososphaera subcluster 1.1和Nitrosospira cluster 3a.1丰度的改变是引起土壤硝化活性改变的主要原因。综上所述,养分优化管理模式下,作物产量和氮素利用率的提高不仅与群体生长特征有关而且与土壤微生物群落特征也显著相关。此外,不同施肥方式改变了与作物同化产物利用相关的土壤微生物类群以及参与硝化过程的活跃氨氧化微生物的丰度进而影响土壤生态功能。