作物秸秆还田黑土对大豆氮吸收贡献及其矿化的微生物分子生态特征

Residue return fundamentally affects nutrient cycling in agroecosystems. How crops utilize residue-N is one of major interests in the soil-plant interaction studies. The research focus is on the rhizospheric effect on the mineralization of residue-N, which consequently determines N uptake and N use efficiency in crops. This is important to the reduction of chemical fertilizer application, the sustainable development of agroecosystems and the efficient production. However, the contribution of residue-N to N uptake of soybean in Mollisols, and relevant mechanisms of N mineralization remain largely unknown. Using 13C/15N duel-labelled residues of soybean and maize, this project will investigate the fate of mineralized N in the rhizosphere of soybean grown in Mollisols. The residue derived-C and N in microorganisms in the rhizosphere will be determined to assess the N supply capability by residues, and N utilization efficiency by soybean. The C/N coupled mineralization processes will be compared between different residues. This project will also deploy a soybean genotype of non-nodulation to quantify the symbiotically fixed-N in response to residue return. The high-throughput pyrosequencing will be used to characterize the molecular ecological characteristics of bacterial, fungal and denitrifier community in the rhizosphere and clarify its association with N mineralization of residues, and N flow in the residue-microbe-plant continuum. The outcomes of this project will provide theoretical foundation for the effective application of residue return and the improvement of nutrient use efficiency of residues in Mollisols.

秸秆还田深刻影响农田生态系统养分循环，作物利用秸秆氮是作物-土壤互作研究领域的一个重点，其核心问题是根际效应影响秸秆氮矿化，从而影响作物对氮的吸收与利用效率。这对减少化肥的施用，以及农田生态系统的良性发展和高效生产意义重大。然而，我国东北黑土区主要作物秸秆还田对大豆氮吸收的贡献还不明确，且相关秸秆氮矿化机制研究不足。所以，此项目利用13C/15N双标记的大豆、玉米秸秆还田黑土，示踪秸秆矿化过程中氮素的去向，解析根际微域微生物对秸秆碳、氮的利用，比较不同作物秸秆碳氮耦合矿化过程，揭示秸秆的供氮能力，以及大豆对秸秆氮的利用效率；应用非结瘤大豆基因型量化研究秸秆还田对大豆共生固氮的影响；利用高通量测序技术分析根际微生物细菌、真菌及氮循环关键功能微生物的分子生态特征，解析其与秸秆氮矿化关系，探讨秸秆-微生物-植物间氮养分效应关系。将为推广黑土区秸秆还田技术及提高秸秆养分利用效率提供理论依据。

秸秆还田深刻影响农田生态系统养分循环，改善土壤肥力，为下一季作物提供营养物质，然而，由于植物-土壤-微生物之间的相互作用，黑土区作物秸秆氮的矿化过程和机制，以及如何影响下一季大豆氮吸收模式机制仍不清楚。基于玉米-大豆轮作体系，与化肥处理相比，秸秆还田并未显著影响大豆产量（p > 0.05）；利用15N示踪方法量化大豆氮吸收的来源，发现秸秆氮对籽粒的氮贡献仅有0.5%，而共生固氮对籽粒氮素贡献量达到82%；施用化肥条件下，共生固氮与肥料供氮所占的比例分别为63%和16%，揭示了秸秆还田可增加大豆生长后期的氮吸收量，但降低R5-R8期营养器官氮素的再利用，秸秆还田对大豆氮素积累影响主要来自对共生固氮的促进作用，表现为根瘤数量、质量和密度显著提高，秸秆还田改变了下茬大豆氮的积累模式，阐释了秸秆还田增加大豆后期共生氮对维持大豆产量的重要作用。进一步的机制研究发现，秸秆还田显著提高了大豆根际固氮nifH基因拷贝数，且改变固氮微生物群落结构，固氮菌对结瘤位的竞争能力增强。揭示了根际效应对秸秆氮矿化的影响，发现根际秸秆氮的矿化率显著高于非根际土壤，其中，大豆秸秆氮矿化速率高于玉米秸秆。大豆根际可溶性有机碳增加以及无机氮消耗的同时，秸秆氮矿化相关微生物组也呈现富集趋势。氮矿化微生物共生网络中关键类群的改变可能影响根际秸秆氮矿化进程，根际细菌网络结构在微生物驱动的秸秆养分循环中起着重要作用，发现网络中节点数的增加和微生物活性的增强是大豆秸秆氮矿化速率高于玉米秸秆的重要原因。微宇宙试验结合宏基因组测序结果表明，秸秆添加条件下，黑土细颗粒有机碳和矿质粘粒有机碳库中的氮含量平均分别增加了26%和14%，而且烷氧碳比例增加，芳香族碳比例降低。微生物氮矿化与活性和惰性碳降解的功能协同作用，促进秸秆碳向有机碳库转化，并维持黑土有机碳的稳定性。研究结果利于优化农田黑土氮肥施用策略，实现微生物介导的秸秆氮转化促进土壤碳氮积累及农田黑土物质循环平衡。