稻田土壤有机氮供氮及其微生物机制研究

A substantial proportion of N taken up by crops is derived from mineralization of soil organic matter (SOM). Realistic estimates of N mineralized from SOM are essential for determining the rate of N fertilizer application required to optimize crop yield and quality and to minimize adverse impacts of excessive N on the environment. Based on the long-term fertilization experiments, this study will identify and characterize functionally distinct soil organic nitrogen pools and fractions, in particular with respect to nitrogen dynamics in soil under continuous rice cropping system of different exogenous nutrient supply and planting different varieties of rice. Microorganisms are the engines driving the biogeochemical cycles of soil nitrogen cycle. Thus, soil microbial biomass, population and diversity, and its impact on organic nitrogen transformation will be also investigated under continuous rice cropping system. Furthermore, functional microbial community characteristics will be studied by 15N-PLFA method to explore the key microbe-meditated processes and mechanisms of organic nitrogen transformation. These studies are expected to provide scientific basis for adjustment of organic nitrogen transformation processes, improvement of nitrogen utilization efficiency and elimination of its negative effects.

土壤氮素周转是决定稻田系统生产力的关键，然而其中的有机氮供应过程和机理尚不清楚。本项研究以水稻肥料定位试验为基础，在不同外源养分供应和种植不同水稻品种（常规稻和杂交稻）条件下，结合组成结构和官能团分析（元素分析、NIRS、CPMAS NMR）等新兴手段，从新的视角对各有机氮组分进行结构鉴定，研究其动态转化规律及其与水稻吸氮的关系；采用现代分子生物学手段，研究稻田土壤生物学特性的演变规律及其对有机氮转化的影响；联合15N同位素标记法、PLFA、Q-PCR等方法，原位研究驱动土壤活性有机氮矿化的功能微生物群落结构，剖析土壤活性有机氮对土壤的供氮能力。对阐明稻田土壤可供给氮与土壤各有机氮组分之间的关系、明确驱动有机氮矿化的微生物学机制有重要意义，为揭示稻田土壤氮素供应的本质及其主要控制因素和水稻氮肥管理决策提供理论依据。

项目在长期肥料定位试验点为基础，通过室内培养，采用连续提取法，联合应用红外光谱和NMR等先进技术对有机氮组分进行结构鉴定。红外光谱法结果表明，长期不同施肥处理下的HA均在3300～3400cm-1，2900～2850cm-1，1650～1620cm-1, 1380cm-1处有吸收峰值，说明不同施肥处理下的胡敏酸具有相似的骨架结构和官能团组成。NMR研究结果表明不同施肥处理土壤样品FA的谱图形态非常相似，出峰位置基本相同；长期平衡施用化肥（NPK）有利于提高FA中碳水化合物中的H的相对含量，而长期不施氮肥处理（PK）却有利于提高FA中烷基链中的H的相对含量同时。同时，项目联合15N同位素标记法、PLFA、Q-PCR等方法及现代分子生物学手段，研究了稻田土壤生物学特性的演变规律及其对土壤氮素转化的影响，研究表明同NPK配施处理相比较缺肥处理降低了土壤微生物量N，使微生物量C/N比增加，在连续种植水稻条件下，水稻对缺肥处理土壤所缺养分养分库的消耗加快，这种情况明显影响了土壤微生物量和微生物活性，对土壤氮素的转化不利；进一步对不同施肥处理对厌氧氨氧化微生物的影响的进行了研究，长期水稻种植下土壤中通过Anammox反应流失的氮含量占总氮气生成量的3.15%-9.62%。进一步对Anammox细菌丰度进行分析，发现水稻测检到了高丰度的Anammox细菌，长期不同施肥处理条件下Anammox细菌的丰度表现为：猪粪堆肥配施化学肥料(PMCF)>秸秆还田配施化学肥料(SRCF)和化学肥料(CF)>不施肥(CK)。Anammox肼合成酶β亚基(hzs-β)基因序列分析表明，Anammox细菌与Ca. Brocadia，Ca. Scalindua和Ca. Jettenia属同源性较高。相比之下，所有的Anammox肼氧化酶(hzo)基因仅与Ca. Brocadia属表现出较高的同源性，表明hzs基因比hzo基因有更高的敏感性。PMCF处理中的序列与Ca. Jettenia和Ca. Brocadia有较高的同源性，并显示出最高的多样性，表明厌氧氨氧化过程在土壤氮转化中起着重要的作用，必需引起重视，值得深入进行研究。项目共发表论文11篇。培养硕士生3名，其中2名已经取得硕士学位，1名在读。项目投入经费26万元，支出21.1万元，各项支出与预算相符。剩余经费4.9万元用于后续研究。