微生物矿物相互作用下粘土矿物附着态铵氮释放过程及机理研究

Sorption of NH4+ on clay minerals can efficiently reduce the migration and transformation of NH4+, which plays an important role in retention of NH4+-based fertilizers in soil. Microorganisms are ubiquitous in soil and closely attached to the clay minerals. Microbe-mineral interaction, however, can dramatically change the mineralogical characteristics of clay, such as charge, specific surface area and mineral phase, and the stability of NH4+ sorption, which may significantly promote the releasing process of clay sorbed NH4+. In this project, by using an intergated approach including microbial, mineralogical and stable isotope tracing techniques, and working on different types of clay minerals and various functional microorganisms that are common in soils, we study how the change of clay properties and how the oxidation of sorbed NH4+ induced by microbes will together affect the release processes and mechanisms of clay sorbed NH4+. The successful implementation of the proposed project is conducive to comprehensively understand the migrating and transforming mechanisms of NH4+ that is incrementally retained in soil as overuse of NH4+-based fertilizers in China.

粘土矿物吸附铵氮（NH4+）可以有效降低土壤NH4+的迁移转化能力，是土壤截留NH4+基氮肥的重要形式。然而，土壤中无处不在的微生物与粘土矿物密不可分，微生物作用过程可以极大地影响粘土理化性质（如表面电荷、比表面积及矿物相等）和附着态NH4+的稳定性，从而显著改变粘土附着态NH4+的释放过程。鉴于目前对微生物矿物相互作用如何影响粘土矿物附着态NH4+释放了解的缺乏，本项目拟选取土壤中常见的多种代表性粘土矿物和多种功能微生物，结合微生物学、矿物学及稳定同位素示踪法等综合研究手段，解析微生物通过氧化附着态NH4+和改变粘土矿物理化性质双重作用下粘土附着态NH4+释放过程与机理，以期在我国农耕土壤过量施加NH4+基氮肥的基本国情下，为全面了解大量残留在土壤中的NH4+迁移转化过程提供部分科学依据。

我国农业生产中过量施用氮肥（主要为氨基氮肥）的情况严重，不仅造成了氮素大量流失严重污染环境，也大大增加了土壤氮负荷。土壤吸收的氨氮多以粘土附着态形式存在，其氨氮的吸附量及稳定性受土壤粘土矿物学性质、以及微生物-矿物相互作用过程影响巨大。因此，本研究选取了多种土壤中典型的粘土矿物（蒙脱石、蛭石、伊蒙混层矿物、高岭土等）以及多种代表性的功能微生物（产酸菌、产胞外聚合物菌、异化铁还原菌、氨氧化菌等），通过结合矿物学、微生物学等手段分析了不同功能微生物作用下多种粘土矿物附着态氨氮的释放过程及机理。研究结果表明，非氨氧化功能微生物能有效促进多数粘土矿物的附着态NH4+释放，并将NH4+有效吸收转化为生物质有机N，这些新生成的有机N会重新吸附在粘土矿物上，因此并不会使粘土释放的NH4+成为自由态N而发生显著N流失，对附着态NH4+释放的促进作用和转化为有机N后的吸附效率受粘土矿物学性质和微生物种类的双重影响；相反，氨氧化微生物在促进粘土矿物附着态NH4+释放后将其氧化为不易被粘土吸附的NO2-，容易造成N流失，氨氧化微生物对粘土矿物附着态NH4+释放效果受粘土矿物类型、氨氧化微生物的类型以及有机质的综合影响，并且非氨氧化微生物的存在能够增加氨氧化微生物对粘土矿物附着态NH4+释放的促进效果，主要是因为非氨氧化微生物可以通过吸收有机质等方式降低对氨氧化微生物生长的不利因素。以上研究结果表明微生物在调控土壤氮肥流失、转化土壤氮肥污染过程中起到了重要作用，也揭示了深入系统地分析不同类型土壤（粘土类型不同）中粘土附着态NH4+在不同功能微生物作用下的迁移转化过程是系统理解土壤氮库流向、精确评价土壤供肥能力以及土壤氮素流失风险的前提条件之一；同时，研究结果也为开发以微生物-矿物相互作用为基础的绿色氮肥提供了新的思路。