石灰性潮土玉米秸秆碳氮转化的微生物学机制

Straw return is a key process for high efficient utilization of nutrient resources in agricultural ecosystem. Straw decomposition is significantly affected by nitrogen (N) fertilizer application through changes in soil N and carbon (C) interactions. However, knowledge of ecological process and molecular mechanism of core microbiota during straw decomposition is lacking, especially under different N application rates. Here, we will report an integrative methodology in which 13C/15N-labelled maize straw, stable isotope probing (SIP), multiple displacement amplification (MDA) and metagenomics will be combined to study (i) the composition changes in functional groups and organic matter of straw residue, and its nutrient release characteristics; (ii) the composition and ecological function of microbial communities associated with straw C and N transformations; and (iii) the mechanism of action of amoA, nirK (Clade I, II, III and IV), nirS (Clade I, II and III) and nosZ (Clade I and II)-type nitrifiers and denitrifiers on straw decomposition and N transformation, in a calcareous fluvo-aquic soil which is the most typical soil in the North China Plain. This research would theoretically contribute to explore microbial and molecular mechanisms of straw C and N transformations, and the outcome through this research would be of great practical significance to high-efficient use of straw resources and sustainable utilization of farmland.

秸秆还田是养分资源高效利用的重要途径。氮肥施用通过影响土壤碳氮互作过程，对秸秆分解进程产生深刻影响。然而，氮素调控下秸秆分解中重要微生物的生态过程及其分子机理仍不清楚。本项目拟利用13C/15N双标记玉米秸秆，以华北平原典型石灰性潮土为研究对象，研究不同氮素营养下秸秆腐解过程中主要官能团与有机物组成变化及养分释放特征；综合应用稳定性同位素探针（SIP）、多重置换扩增（MDA）和宏基因组学等技术，揭示参与秸秆碳氮转化的微生物类型与生态功能，阐明amoA、nirK（Clade I、II、III、IV）、nirS（Clade I、II、III）、nosZ（Clade I、II）型硝化、反硝化菌在秸秆分解和氮素转化中的作用机理。本项目理论上可深入揭示秸秆碳氮转化的微生物及分子生态学机制，实践上为秸秆资源高效还田及农田可持续利用提供科技支撑。

增施氮肥是加速秸秆分解的重要手段之一，然而氮素调控下秸秆分解重要微生物的生态过程及分子机理仍不清楚。本项目综合应用SIP、SEM、CP/MAS 13C-NMR以及宏基因组学等方法，揭示了潮土不同氮素营养下秸秆腐解过程与碳氮释放特征、秸秆氮素生物有效性、秸秆碳氮转化关键微生物与生态功能。主要研究进展如下：.1. 秸秆腐解过程与碳氮释放特征。玉米秸秆当季平均腐解率为57%，氮素平均释放32%；小麦秸秆当季平均腐解率为71%，氮素平均释放41%，秸秆还田前两周为快速腐解期，秸秆氮素在低氮条件释放更快。秸秆分解过程中，碳水化合物和糖类含量逐渐减少，羟基减少，甲氧基、羧基含量增多。氮肥在两周后平均提高秸秆腐解速率6个百分点。.2. 秸秆碳氮在土壤-植物系统的分配规律。秸秆氮素的当季利用率为6.91%～9.69%，氮肥促进植物对秸秆氮的吸收。秸秆还田增加了土壤CO2排放，第3天达到排放峰值，此时来自秸秆CO2占17%；分解30天后，秸秆CO2排放贡献率维持在1.5%。施肥和作物类型是决定秸秆还田效果的重要因素，细菌对施肥制度更敏感，真菌对轮作制度改变反应更为强烈。.3. 秸秆分解微生物的宏基因组分析。玉米和小麦秸秆分解细菌群落演替规律一致，表现为Acidobacteria等贫营养型细菌逐渐增加，Proteobacteria等富营养型细菌逐渐减少。氮肥对秸秆分解微生物的影响主要在前两周，氮肥大量刺激Firmicutes生长可能是加速秸秆分解的重要原因。玉米和小麦秸秆的真菌群落演替规律不同。氮肥使得秸秆残渣微生物谷氨酸合成等氮同化途径和乙酰辅酶A合成等碳代谢过程加强，同时硝态氮转化为氨态氮过程减弱。.4. 反硝化菌在氮素转化中的作用机理。相比秸秆碳源，植物源碳是提高反硝化活性。种植小麦和玉米使得土壤N2O排放增加3.5～24.9倍。植物源13C主要被Alcaligenaceae等nirS型反硝化菌和Phyllobacteriaceae等nirK型反硝化菌同化利用；施用有机物料可以使13C标记反硝化群落多样性增加。69％13C标记nosZI型反硝化菌在根际中丰度高于非根际，其含有丰富的nir基因，表明植物源碳更利于土壤NO2-向N2O转化。.综上所述，秸秆还田前两周是秸秆分解关键时期。养分释放和分解关键微生物功能在此期间发生剧烈变化，秸秆还田前期的养分管理对秸秆资源高效利用至关重要。