南疆绿洲果棉间作体系土壤微生物生物量氮周转及氮素转化功能微生物群落特征的时空变异

Fruit-cotton intercropping is a recently developed large-scale planting mode in oases area of southern Xinjiang autonomous region. Under conditions of different intercropping compound systems and fertilization practices, this project choose four typical fruit-cotton intercropping patterns as the obiects to study that (ⅰ) dynamic turnover of microbial biomass nitrogen，(ⅱ) using functional gene as molecular markers to analyse temporal and spatial variations of community structures,activity and functional gene diversity of ammonia-oxidizers,.denitrifiers, and diazotrophic bacteria which related to soil nitrogen cycling and their response to environmental factors,(ⅲ) revealing the Correlation between turnover of microbial biomass nitrogen and community properties of nitrogen transformation microorganisms or soil nitrogen content.The objective of this .research is to deeply understand the feature and effect mechanisms of nitrogen transformation in fruit-cotton intercropping systems, and to explore the rela-.tionship of microbial diversity and nitrogen transforming function in soil. .Hopefully, the findings will provide the scientific basis for structural optimization and readjustment , efficient management of soil nitrogen nutrition,and promoting productivity in fruit-cotton intercropping systems.

果棉间作是南疆绿洲近几年来发展的大规模种植模式。本项目以典型果棉间作体系为对象，研究不间作系统模式和施肥措施下：⑴ 土壤微生物生物量氮周转特征；⑵ 运用功能基因作为分子标记综合解析参与土壤氮素循环过程的关键微生物氨氧化菌、反硝化菌、固氮菌群落结构、活性及功能基因多样性的时空变异及对环境因子的响应；⑶ 揭示微生物量氮周转、氮素转化功能菌群落特征与土壤氮素养分之间的相关性。研究旨在深入了解果棉间作复合系统土壤氮素转化特点及其影响机制，探讨微生物多样性与土壤氮素转化功能的关系，为指导间作系统结构的优化调整，土壤氮素养分的高效管理，评价土壤质量现状和趋向，提高系统生产力水平提供科学依据。本研究对于阐明土壤氮素转化的微生物机制，构建适合南疆干旱荒漠区绿洲农业环境特点的果棉间作模式及氮肥调控技术，实现资源高效利用和保护生态环境，确保林果、棉花产业协调可持续发展具有重要的科学价值和实践意义。

枣棉间作是新疆南疆最据典型代表性的农林间作模式。本项目研究枣棉间作对土壤微生物区系、微生物生物量碳、氮及周转特征的影响，运用功能基因作分子标记解析土壤氮素循环转化关键微生物氨氧化菌、反硝化菌的群落结构和丰度、代谢活性的时空变异及对环境因子的响应。研究结果表明，枣棉间作土壤细菌、放线菌、真菌和微生物总数总体呈现出显著低于单作棉田、较纯枣林增加，氨化细菌、硝化细菌数量比单作棉田有较大提高，反硝化细菌数量明显下降的特点。不同种植模式微生物生物量碳、氮含量显著差异，生物量碳含量依次为枣棉间作4a＞单作棉田＞枣棉间作5a ＞纯枣林5a，生物量氮含量依次为单作棉田＞枣棉间作4a ＞枣棉间作5a＞纯枣林5a，间作5a以上微生物生物量呈下降趋势。土壤微生物代谢熵（qCO2）依次为纯枣林>枣棉间作>单作棉花，间作较单作棉田提高34.61%～215.35%，5a间作增幅最大。枣棉间作明显提升微生物生物量氮周转，5a间作较单作棉田周转率提高51.88%，周转期缩短38.16d，与纯枣林相比周转率略有降低。枣棉间作土壤氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌(AOA)群落结构与棉花、枣树单作差异明显，多样性显著增加。间作土壤AOB优势种群为Nitrosospira cluster 3a，AOA隶属于Group I.1b。间作AOB amoA基因丰度较单作枣树和棉花显著提高4.53倍和10.6倍, AOAamoA基因丰度下降36.08%、65.71%。不同年限的枣棉间作体系AOA和AOB的 amoA基因丰度分别占据优势，AOA和AOB共同参与和分别主导了氨氧化过程。枣棉间作土壤反硝化细菌群落组成和丰度均发生改变，nosZ基因丰度较单作枣树降低51.32%，较单作棉田略有增加。研究发现，间作系统内微生物的分布具有明显的水平和垂直方向的空间变异性，随种植年限增加其空间分布特性有明显变化。AOB和AOA 的amoA基因丰度在冠下区高于近冠区，在0～60cm土层中呈垂直下降。反硝化细菌nosZ基因丰度在近冠区比冠下区提高，随土壤深度增加而递增。典范对应分析显示，土壤有机碳、硝态氮、全磷和速效磷含量对间作系统AOA、AOB和反硝化细菌群落结构的影响显著。研究结果为阐明间作体系土壤氮素转化的过程和微生物学机制，深入了解土壤质量的现状和趋向，体系的优化调整和土壤养分的科学管理提供了科学依据。