不同耕作措施作物秸秆氮素转化及微生物影响机制研究

Crop straw nitrogen is the most important nitrogen input in the farmland ecosystem, and its transformation in soil is closely related to soil fertility and greenhouse gas emission. In the transformation process, microbes play an important role. Studies on straw nitrogen transformation and its priming effect on soil native nitrogen are not sufficient; especially, few are found on the action mechanism of microbes during the transformation process. This study is based on a long-term field experiment. Firstly, by using stable isotope technique, we will study dynamics of straw nitrogen transformation under different tillage measures to explore the distribution law of the straw nitrogen. Secondly, we will study the effect of straw nitrogen on soil native nitrogen mineralization and analyze the intensity of the priming effect on the soil native nitrogen. Finally, we, using the stable isotope probing (15N-DNA-SIP), will identify the key microbial species involved in the decomposition of straw nitrogen and priming effect, and further study the relationship between characteristics and functionalities of key microbial communities using real-time quantitative PCR and T-RFLP technology. The research results will clarify the rules of straw nitrogen transformation and its priming effect on soil native nitrogen, and determine the unknown microbial species involved in the straw nitrogen transformation process. Referring to previous findings of studies sponsored by National Natural Science Foundation, we will systematically analyze the law of farmland nitrogen cycle, to provide theoretical and technical reference for nitrogen management and regulation in dry farmland in North China.

作为农田生态系统中主要的氮输入，作物秸秆氮素在土壤中的转化与土壤肥力和温室气体排放密切相关，而微生物在其转化过程中具有重要作用。目前关于秸秆氮的转化及其对土壤本底氮素的激发效应研究不够深入，并且对微生物在其转化过程中的影响机制研究很少。本研究以长期定位试验为平台，首先，利用稳定同位素技术研究秸秆氮素的转化特征及关键过程，探讨秸秆氮素分配规律；其次，研究外源秸秆对本底氮素矿化的影响规律，分析其对本底氮素激发效应强度；最后，利用稳定同位素探针技术（15N-DNA-SIP）,鉴定参与秸秆氮降解及其激发效应的关键微生物种类，利用实时定量PCR和T-RFLP技术，研究关键微生物群落特征与功能的关系。研究结果将阐明秸秆氮素的转化规律及其对本底氮素的激发效应，明确参与秸秆氮转化过程的关键微生物种类，结合前期自然基金的研究结果，可系统分析农田氮素循环规律，为北方旱作农田氮素管理提供理论和技术参考。

研究秸秆氮素转化机制对于提高秸秆氮素利用率，保证土壤供肥能力及实现农业可持续发展具有重大意义，目前，对于北方旱作农田秸秆氮素的转化规律及其特征研究相对缺乏。本项目通过长期定位试验，采用常规测试和同位素示踪技术相结合的方法，研究了不同耕作措施对土壤各形态有机氮的长期效应，评估了当季秸秆氮添加在两种土壤背景下通过自身氮素矿化和激发效应对土壤总有机氮矿化的作用，并分析了秸秆氮在不同耕作措施下对微生物多样性及群落结构变化的影响，结果表明：1）秸秆15N在土壤中的分布大体上随着土壤深度的加深而减少，在60cm以下基本上无秸秆氮残留。常规耕作处理处理在0-5cm和5-10cm土壤中的秸秆15N含量显著高于保护性耕作处理。而在10-20cm土层，保护性耕作处理下的秸秆15N在土壤中的含量显著高于常规耕作。不同耕作方式显著影响秸秆氮素在各个氮库中的分布，保护性耕作显著提高了秸秆氮素向颗粒性有机氮和微生物等中的转化，但却显著降低了水溶性氮中秸秆15N的量；2）当季还田秸秆氮添加能够促进保护性耕作土壤总有机氮的矿化，而在常规耕作土壤中有抑制土壤氮素矿化的作用。当季还田秸秆氮对土壤总有机氮的影响由秸秆自身氮素矿化和激发效应共同决定，其中激发效应起主导作用；3）不同耕作措施下秸秆氮添加的微生物影响研究表明，与常规耕作相比，保护性耕作处理氮添加增加细菌和古菌的微生物多样性，而对真菌多样性没有显著影响。此外，保护性耕作处理秸秆氮添加显著改变了土壤细菌、真菌和古菌的微生物群落结构。一些优势微生物类群，如细菌中的变形菌门、古菌中的奇古菌门和真菌中的球囊菌门在保护性耕作处理中丰度显著高于常规耕作处理，是保护性耕作处理秸秆氮添加的关键菌群。通过项目开展，阐明了长期不同耕作方式下秸秆氮素的转化过程，揭示出其转化过程中微生物作用机制，为不同耕作措施下秸秆氮素的高效管理提供理论科学依据。