水氮调控对稻田生物固氮的影响及其微生物学机理

Biological nitrogen fixation (BNF) is an important source of nitrogen input for rice fields that’s why they always have a higher soil nitrogen fertility than that of upland soils. Our previous studies have shown that rice fields can fix as much as 45 kg N per hectare without N fertilizer application during 70 days, and almost 50% of nitrogen fixed by BNF left in rice plants, indicating a potential use of BNF in rice fields. During the past 30 years, with the rising of application rate of N fertilizer, both the utilization efficiency and unit production rate of N fertilizer declined. The loss of N not only waste the fertilizer but also bring about a high potential risk of environmental pollution. Now, the shortage of water resources in China is serious and water-saving irrigation is a necessary choice to alleviate this contradiction. However, it’s now not clear the effects of changed water and nitrogen managements on the BNF in rice fields, which has to be solved in this study by field microplot studies. Our research will provide a theoretical foundation for taking full use of the BNF potential in rice fields.

稻田生物固氮是稻田比旱地具有更高土壤氮素肥力的重要原因。我们前期研究表明，不施氮肥稻田70天固氮量可达45 kg/ha，并且通过生物固氮作用固定的氮素有近50%留在了水稻植株体内，显示出稻田具有较强的固氮潜力。在过去的30年里，我国稻田氮肥施用量不断增加而氮肥利用率及其增产效果则不断下降，氮肥损失加剧，还造成了对环境的污染。我国水资源短缺问题的日益突出，大力发展水稻节水灌溉，已成为缓解水资源供需矛盾的必然选择。随着稻田水分管理方式和施氮量的变化，稻田固氮量、固氮菌活性及群落结构是否发生改变，如何变化等问题，目前尚不清楚。基于以上分析，本项目将重点研究田间微区条件下，稻田水氮调控对水稻不同生育期稻田土壤固氮量及固氮微生物的影响，以期为充分发挥稻田生物固氮潜力提供科学依据。

稻田生物固氮作用对维持稻田土壤肥力具有重要的作用。在稻田生态系统中，水分和氮素是影响水稻产量、品质和氮素利用率的关键因素。基于田间15N2标记技术和nifH基因高通量测序技术，本项目主要研究了水氮调控对稻田生物固氮量的影响；研究了不同类型水稻土的固氮潜力，固氮微生物群落结构及其影响因素；最后还利用稳定性同位素核酸探针技术（15N2-DNA-SIP）研究了稻田土壤中活跃的固氮微生物。我们发现表层土壤（0-1cm）生物固氮量显著高于土壤其他层次（2-15cm）。不同氮肥用量处理下，稻田生物固氮量没有显著差异。连续淹水处理下的稻田生物固氮量要高于间接灌溉处理，但是差异没有达到显著水平。42天田间原位15N2气体标记结果显示，不施氮肥条件下，不同类型水稻土（砂姜土、红壤、黑土和紫色土）固氮量有显著差异，介于2.2到20.1 公斤每公顷之间。不同类型水稻土的固氮微生物群落构差异显著，如紫色土中念珠藻目（Nostocales）丰度最高（35.1 ± 14.5%），然后是砂姜土（24.1± 2.5%）、红壤（15.0 ± 4.5%）和黑土（5.7 ± 1.7%）。黑土中β-变形菌丰度最高，而γ-变形菌在紫色土中丰度最高。随机森林模型分析结果表明，稻田土壤固氮量和微生物群落主要受土壤中无定形铝氧化物含量的影响。基于15N2-DNA-SIP技术，本项目还研究了15N2标记生长箱与未标记对照箱内紫色土发育的稻田表层土壤中活跃固氮微生物。根据nifH的测序结果，通过比较15N2标记与对照组DNA中固氮微生物类群的相对丰度变化，发现归属于蓝细菌门（Cyanobacteria）和变形杆菌门（Proteobacteria）的固氮微生物类群在15N2标记层中有明显增加的趋势。15N2-DNA-SIP结果显示，蓝细菌门的念珠藻属（Nostoc）和细鞘丝藻属（Leptolyngbya），以及变形杆菌纲的甲基孢囊菌属（Methylocystis）和脱硫单胞菌属（Desulfuromonas）可能是稻田生物固氮的主要贡献者。本项目研究结果，为合理开发和利用稻田生物固氮资源提供了理论依据。