长期施肥下根际微生物参与土壤碳、氮转化的机制

As soil C and N turnover play key roles in soil fertility and plant nutrition, and a close interaction between C and N turnover exists in the rhizosphere soil, microbes-mediated carbon and nitrogen cycles in the rhizosphere soil can be thoroughly recognized by long-term fertilizer experiment. Based on a long-term fertilizer experiment over 34 years in calcareous fluvo-aquic soil in Xinji of Hebei Province, we characterize of microbial community carbon source utilization patterns (soil organic matter and rhizodeposition) in the rhizosphere soil, analyze comprehensively the microbial community structure associated with carbon cycle by 454 pyrosequencing. the functional gene abundances involved in nitrification and denitrification (bacterial amoA, archaeal amoA, nirK, nirS, nosZ), and the influences of carbon resources on the diversities and functions of ammonia oxidizers and denitrifier community in both the rhizosphere and bulk soil will be investigated. This research would theoretically contribute to explore the microbial mechanism for C and N turnover in the rhizosphere soil under long-term fertization practices, and the outcome through this research would be of great practical significance to balanced fertilization and soil nutrient management, so as to realize sustainable utilization of farmland.

根际碳、氮转化对于土壤质量和作物营养极为重要，且根际氮、碳循环相互作用，利用肥料长期试验可确切认识不同施肥下根际微生物参与土壤碳、氮循环的机制。本项目拟以华北石灰性潮土长达34年的肥料长期定位试验为基础，研究长期施用有机肥料和无机肥料下土壤微生物对根际固有碳和植物源碳的利用特征，与根际碳利用相关的土壤细菌高通量测序，根际土壤硝化与反硝化功能基因的数量动态，以及土壤碳对根际硝化与反硝化菌群落结构和功能的影响。本项目对于深入揭示长期施肥下根际碳、氮转化特征及其分子生态学机理具有重要理论价值，研究成果对于指导平衡施肥与土壤养分管理，实现农田可持续利用具有重大实践意义。

本项目以华北石灰性潮土肥料长期定位试验为基础，利用变性梯度凝胶电泳、稳定同位素探针、定量PCR、高通量测序等现代分子生态学技术，研究长期施用有机肥料和无机肥料下作物根际碳沉积转化、氨氧化及反硝化过程。研究表明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和放线菌门，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、绿弯菌、厚壁菌、拟杆菌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，导致土壤微生物多样性降低。研究发现石灰性潮土氨氧化过程主要由氨氧化细菌主导，而不是氨氧化古菌，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；研究发现，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，nirK、nirS和nosZ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。MiSeq测序结果表明，根系中nirK型、nirS型和nosZ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nirK/nirS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；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状态恢复。