聚-γ-谷氨酸调控化肥氮素转化过程和作用机制研究

Poly-γ-glutamic acid (γ-PGA), a new fertilizer synergist, has significant promotional effect on fertilizer efficiency and crop production. One pathway of its promotional effect is to delay the release of fertilizer nitrogen, while there is lack of research about the effect of γ-PGA on transfer of different fertilizer nitrogen in soil and its mechanism. Here we conduct a pot trail to explore the effects of γ-PGA on the transfer and distribution of fertilizer nitrogen in soil and its microbial-driven mechanism with the 15N stable isotope technique by applying 15N labeled amide nitrogen fertilizer (Urea, CO(15NH2)) and ammonium nitrogen fertilizer (Ammonium Sulfate, (15NH4)2SO4). The following contents are mainly investigated: 1) the different promotional effects of γ-PGA on urea and ammonium sulfate; 2) the transfer and distribution of fertilizer nitrogen in soil and the distribution of fertilizer nitrogen to plant under the regulation of γ-PGA; 3) the dynamic characteristics of microbial community structure and enzyme activity during the transfer of fertilizer nitrogen in soil. Our results are expected to demonstrate the different promotional function of γ-PGA to urea and ammonium sulfate, reveal the transfer and distribution process of fertilizer nitrogen in soil under the regulation of γ-PGA, and uncover the microbial-driven mechanism of γ-PGA’s promotional function from the perspective of fertilizer nitrogen transfer in soil, and to provide theoretical guidance for the application of γ-PGA in agriculture.

新型肥料增效剂（聚-γ-谷氨酸）对作物显著增产节肥效应的作用途径之一是延缓肥料氮（N）在土壤中的释放，然而其对常用不同氮形态化肥在土壤氮库间的转化途径和机制还不详尽。本项目拟采用15N同位素标记技术和盆栽试验方法，通过添加15N标记的酰胺态氮肥（尿素，CO(15NH2)2）和氨态氮肥（硫铵，(15NH4)2SO4），探究聚-γ-谷氨酸对化肥氮素在土壤氮库间的迁移与留存及其微生物驱动机制。主要包括以下内容：（1）聚-γ-谷氨酸对尿素和硫铵增效作用的差异；（2）化肥氮素在土壤氮库间的转化过程、分布状态、及向植株的转移过程；（3）肥料氮素释放过程中土壤微生物群落结构组成及胞外酶活性的变化特征。研究成果将阐明聚-γ-谷氨酸对不同氮肥增效作用的差异，揭示聚-γ-谷氨酸作用下化肥氮在土壤中的转化和分布过程，从肥料氮转化角度解析聚-γ-谷氨酸增产节肥作用机理，为其在农业中的广泛应用提供理论指导。

在农业中，聚-γ-谷氨酸（γ-PGA）被用作一种肥料增效剂，具有广阔应用前景，并对土壤氮（N）循环产生重要影响。然而，γ-PGA作用下胺态氮肥(CO(NH2)2)和铵态氮肥((NH4)2SO4)对土壤N循环的作用过程和机理鲜有人研究。本研究通过开展盆栽试验，设置单施CO(NH2)2（U）、单施(NH4)2SO4（AS）、CO(NH2)2与γ-PGA共施（UP）、(NH4)2SO4与γ-PGA共施（ASP）四种施肥方式，采用15N同位素标记方法探究γ-PGA作用下这两种肥料N在土壤-植株系统的去向，并采用QPCR和高通量测序方法测定土壤N转化过程功能基因（尿素水解酶基因ureC，硝化过程的氨氧化古菌基因AOA和氨氧化细菌基因AOB，反硝化过程中的硝态氮还原酶基因narG、亚硝态氮还原酶基因nirK、一氧化氮还原酶基因qnorB和二氧化氮还原酶基因nosZ）的数量和多样性。.结果表明1）γ-PGA与CO(NH2)2和(NH4)2SO4配施时均显著增加植物产量。γ-PGA促进植株吸收更多的肥料N，进而提高肥料的N利用率。γ-PGA增加CO(NH2)2-N在土壤NH4+-N库的分布，减少(NH4)2SO4-N在土壤NH4+-N和NO3--N库的分布，促进更多的肥料N分布至微生物N库。γ-PGA显著减少两种肥料N在土壤-植株系统的损失，N损失减少量分别为施N量的6.93%和3.54%，同时γ-PGA明显减少土壤的N损失，减少量分别为施N量的2.65%和1.63%。.2）与U处理土壤的相比，UP处理土壤中的ureC、AOA、AOB、narG、nirK、nosZ绝对丰度均减少，且该6种基因的优势物种相对丰度均显著减少，另外，UP处理的qnorB的绝对丰度及其相关物种相对丰度均显著增加。与AS处理土壤的相比，ASP处理土壤中的AOA绝对丰度变化较小，AOB绝对丰度增加但不显著，narG、nirK和nosZ绝对丰度显著减少，qnorB绝对丰度显著增加，且该6种基因相关物种的相对丰度均产生变化。.总之，在肥料中添加γ-PGA对土壤N管理有多方面益处，尤其是能减少肥料N和土壤N的损失，这将助力γ-PGA未来在农业中的使用。同时阐明施用尿素和硫铵土壤的氮循环功能基因对γ-PGA添加的响应为γ-PGA在来农业中的应用提供了新的理论决策依据。.