畜禽粪肥有机碳组分特征耦合设施蔬菜土壤氮素转化过程的微生物机制

Long-term application of chemical fertilizers can lead to redundant nitrogen accumulation in greenhouse vegetable soils and related serious environmental risks. Application of livestock and poultry manures can partly substitute chemical fertilizers, and effectively regulate microbial nitrogen transformation processes in soils. Previous researches have shown that the effects of input organic materials on soil nitrogen transformation are mediated by the organic carbon chemical compositions. In the present study, soil samples will be collected from greenhouse vegetable production base, under different nitrogen accumulation extent. Using a litterbag method, the carbon chemical compositions will be determined by solid-state 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy, and evaluated after cupric-oxide oxidation for lignin biomarkers, to reveal the critical organic components that control nitrogen release from livestock and poultry manures at different decomposition stages. The soil organic nitrogen will be classified to assess the nitrogen forms, and microbial enzymatic activity will be determined to explore the enzyme stoichiometry mechanisms. A 15N tracing study will be settled to quantify the gross nitrogen transformation rates under different livestock and poultry manures with distinct organic carbon components. The copies of nitrogen-cycling genes will be determined by quantitative real time PCR, and the microbial community structure will be analyzed by high-throughput sequencing methods, to evaluate their responses to the carbon chemical compositions and decomposition stages of manures. It is aimed to establish a composite model between the organic components, enzyme stoichiometry, nitrogen transformation rates and critical functional microorganisms. This project will provide a theoretical basis for the reasonable application of livestock and poultry manures and scientific nitrogen management in greenhouse vegetable soils.

长期施用化肥导致设施蔬菜土壤氮素冗余而产生严重的环境风险，施用畜禽粪肥可以替化肥并有效调控土壤氮素转化的微生物过程。研究表明，外源有机物料输入对土壤氮素循环的影响受其碳组分特征的控制。本项目拟选取不同氮冗余程度的设施蔬菜土壤，建立不同碳组分特征畜禽粪肥的降解袋试验，针对分解的动态过程，利用固态13C-核磁共振、木质素单体分析等技术，揭示控制畜禽粪肥氮素释放的关键有机组分；采用有机氮分级和酶活性检测等方法，阐明施用畜禽粪肥后土壤氮素的赋存形态及其酶化学计量学机制；建立15N同位素双标记试验，解析畜禽粪肥有机碳组分对土壤氮素转化速率的影响；采用定量PCR和高通量测序等技术，明确氮素转化功能微生物数量和群落结构对畜禽粪肥组分特征和分解阶段的响应机理，构建有机组分、酶化学计量学、氮素转化速率和关键微生物之间的复合关系模型，为设施蔬菜土壤畜禽粪肥的合理施用和氮素养分的科学管理提供理论依据。

我国设施蔬菜化学氮肥施用量是大田农作物平均用量的3倍以上，长期过量施用化肥导致设施土壤氮素冗余而产生严重的环境风险。优化氮肥管理被认为可以在维持蔬菜产量的同时降低设施蔬菜土壤活性氮的损失。然而，施用畜禽粪肥等氮肥管理措施在调控氮素淋溶的潜力和内在机制阐明方面仍存在空缺。本项目以氮冗余程度不同的设施土壤为研究对象，综合运用固态13C-核磁共振、三维荧光、平行因子分析模型等研究方法，研究不同形态氮素淋溶损失特征、调控机制以及减排措施。研究结果表明，设施蔬菜生产中普遍使用的商品有机肥组分特征因物料来源不同而异，含量最多的烷基碳组分在不同有机肥中的分布具有显著差异性；利用PVC淋溶柱建立精准模拟试验，在种植作物条件下动态监测了添加不同碳组分有机肥的设施蔬菜土壤中氮素的淋溶损失量，阐明了有机肥烷基碳、N-烷基碳和羰基碳对氮素淋溶的调控作用，尤其是硝态氮和有机态氮的淋溶；利用酶化学计量学原理，研究了添加不同碳组分有机肥土壤中微生物获取碳氮的相对能力，揭示了在“氮冗余、碳缺乏”的设施蔬菜土壤中，微生物受到碳底物供应缺乏的限制而减少对氮素的同化，增加了氮素经由淋溶损失的可能性，阐明了设施蔬菜土壤“增碳控氮、碳氮互作”的内在机理。进一步在田间试验中进行了验证，揭示了高惰性碳有机肥可以实现土壤氮素供应符合蔬菜的需求，在维持产量的同时减少氮素淋溶损失并提高化肥氮利用率。在高硝态氮冗余情境下，指出了优化氮肥用量结合硝化抑制剂能够同时减少硝态氮和溶解性有机氮的淋溶，强调了溶解性有机氮在总氮淋溶中的重要贡献，明确了难分解溶解性有机碳组分对溶解性有机氮淋溶的调控机制。本项目从分子水平揭示了有机肥关键有机碳组分对减少氮冗余设施蔬菜土壤氮素损失的调控机制，靶向优化氮冗余设施蔬菜土壤的养分高效利用策略，为设施农业氮素科学管理和有机物料资源化利用提供新的思路，服务于设施农田土壤的可持续利用。