长期秸秆还田对潮土团聚体中硝化反硝化菌群分布与功能的影响

Management practice of crop straw application has been known to alter soil aggregate, and the activity and distribution of inner microbial composition concerning nitrogen cycle would possibly be changed. In the present study, a 26-year field straw returning experiment located in North China Plain with Chao soil was selected to study the differentiation mechanism of nitrogen cycle microbial composition and activity influenced by long term straw returning in different soil aggregates. To reveal the effect of straw returning on soil aggregate physicochemical composition, four isolated soil aggregates will be weighed, calculated for fractal dimension, analyzed for basic physicochemical indexes, and big aggregates will be further analyzed by scanning electron microscopy (SEM). To reveal the effect of straw returning on the distribution of nitrifier and denitrifier in different soil aggregates, molecular microbial ecological technology of TRFLP, q-PCR and Miseq sequence were used. The relationship between microbial diversity and functional activity in soil micromorphology would carried out using aggregates incubation experiments. The results will offer the theoretical foundation for optimizing and managing of soil soil structure, nitrogen and useful for soil sustainable development.

长期秸秆还田势必会影响土壤团聚体结构，团聚体中氮循环相关微生物的分布和活性也会发生变化。本项目选择华北潮土区麦玉轮作体系长达26年的秸秆还田定位试验为基础，通过干筛分法分离4级不同粒径大小团聚体，研究长期秸秆还田下各团聚体的分异规律，测定各粒径团聚体的质量分布、计算分形维数，用扫描电镜观察大团聚体微形态、常规方法测定氮素形态等理化指标，采用T-RFLP，Q-PCR，Miseq高通量测序等分子生物学技术研究各团聚体中氨氧化细菌、氨氧化古菌及反硝化细菌的分布，探讨微生物分布与团聚体理化性质的关系，并结合室内团聚体培养试验分析各粒级团聚体中硝化和反硝化作用潜势，明确长期秸秆还田对潮土团聚体分异性的影响，揭示潮土团聚体中硝化和反硝化功能菌群的分布及微观作用机制。为该区域土壤结构体优化，氮素养分科学管理和土壤可持续发展提供科学依据。

我国华北平原小麦-玉米轮作体系，土壤类型主要为潮土，该区域秸秆产量高、施氮肥量高，如何充分合理利用秸秆资源减少氮肥的施用、提高利用效率是关系到该地区农业可持续发展的主要问题之一。本项目以该区域一个长期定位试验为基础，处理包括不施肥对照（CK）、化肥氮100%（NPK）、30%秸秆氮和70%化肥氮（NPKS）、30%粪肥氮和70%化肥氮（NPKM），从秸秆还田对土壤团聚体结构的影响出发，研究团聚体中amoA基因及nirK、nirS和nosZ 3种反硝化细菌的分布，探索微生物分布、功能活性及团聚体理化性质的关系，明确长期秸秆还田影响氮素周转及减少氮素损失的微生物机理。主要结果：.（1）长期秸秆还田显著增加>2mm大团聚体的数量。秸秆和粪肥均增加耕层土壤总孔隙度，与粪肥相比，秸秆能显著提高土壤>1 mm大团聚体内部的孔隙度。与NPK相比，NPKS和NPKM增加土壤团聚体的稳定性，改善了土壤孔隙状况，有利于保水保肥。.（2）秸秆还田显著增加了土壤有机碳（TOC）和总氮(TN)的含量，并没有显著增加硝化潜势，显著降低AOB的丰度；AOB丰度与TN、NH4+、NO3和氨氧化潜势（PNR）呈显著正相关关系，主导该试验土壤的氨氧化过程。氨氧化群落结构表明，AOA按土层分别聚类，AOB的群落结构首先按照季节分别聚类，且与NPK相比，NPKS和NPKM微生物群落聚在一起，与NPK区分开。.（3）长期秸秆还田降低了试验潮土净硝化速率，部位主要发生在>2 mm和<0.25 mm团聚体，而0.25-2mm硝化作用最活跃，对应的这两个部位 AOB的丰度下降，土壤大团聚体数量越高，硝化活性越弱，AOB丰度降低，有利于氮素的存储。克隆文库分析和RDA分析表明团聚体粒径对AOA 群落构成影响较大，土壤TOC、TN和pH对AOB群落结构影响更大。.（4）长期秸秆还田提高土壤反硝化酶活性（DEA）。DEA和反硝化微生物丰度也受季节的影响，混合土壤DEA只和nosZ基因显著相关。土壤团聚体中，小团聚体的反硝化酶活性高于大团聚体，秸秆处理最高，反硝化基因丰度均与DEA均显著正相关。nirK型反硝化微生物群落组成受pH、团聚体粒径等的影响，nosZ型反硝化微生物组成主要受pH、TN等的影响。.研究结果为深入认识华北农田潮土氮素循环、优化氮素管理、推广秸秆还田培育良好土壤团聚体及适量减氮措施提供理论依据。