长期稻麦秸秆还田对潮土中氨氧化细菌和氨氧化古菌的分布及功能的影响

Ammoxidation, the first step of nitrification, is a critical step in the nitrogen cycle, and performed by both ammonia-oxidizing archaea (AOA) and ammonia-oxidizing bacteria (AOB). Many environmental factors have specific selectivity on the AOA and AOB communities. Straw returning as an important means of ecological agriculture, affects the activity and abundance of ammonia oxidizers. However, the mechanisms of the response to straw returning and formation of soil ammonia oxidizers community structure and diversity in alluvial soil are not clear. QPCR and High-throughput sequencing（MiSeq）are applied in this study. AOA and AOB community diversity and spatial distribution are analysed in alluvial soil of rice-wheat rotation under long-term straw returning conditions, exploring the impact of straw returning on the spatial pattern of ammonia-oxidizing microorganisms; AOA and AOB abundance variations in alluvial soil of rice-wheat rotation are investigated, combined with the main properties of soil, revealing key driving factors and the feedback mechanism of ammonia-oxidizing microorganisms to straw returning; The analysis of nitrification rates are carried out in alluvial soil of rice-wheat rotation to seek its pattern with the evolution of time and space. In the meanwhile, combined with ammonia oxidizing microbial community changes, the effects of straw returning on soil nitrification and the relative contribution of AOA and AOB to nitrification will be figured out. The aim of the research is to provide a scientific basis for revealing the functional mechanisms of straw returning in the soil nitrogen cycle.

氨氧化作用既是硝化作用的第一个反应步骤，也是全球氮循环过程的中心环节，主要由氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）共同驱动，诸多环境因子对AOA和AOB群落有特异的选择性。秸秆还田作为生态农业的重要手段，其对华东地区主要土壤类型-潮土中氮氧化微生物群落结构和多样性的响应及形成机制尚不够明确。本研究采用QPCR和MiSeq高通量测序，分析长期秸秆还田条件下稻麦轮作潮土中AOA和AOB群落多样性与空间丰度分布特征，探索秸秆还田对氨氧化微生物空间格局的影响；探讨不同稻麦生长期土壤中AOA和AOB丰度变化规律；通过土壤主要性能分析，揭示关键驱动因子及潮土中氨氧化微生物对秸秆还田的反馈机理；寻求稻麦轮作土壤中硝化速率随时空的演变规律，同时，结合氨氧化微生物群落变化，研究长期秸秆还田对潮土硝化作用的影响，及AOA和AOB对硝化作用的相对贡献。以期为揭示秸秆还田在土壤氮循环中的作用机制提供科学依据。

稻麦轮作作为我国种植面积最大的水旱轮作系统，季节性的干湿交替变化对土壤微生物群落结构以及硝化作用产生很大影响；同时为了保护水体、土壤及大气环境，加强农业资源再利用，秸秆还田在稻麦轮作中广泛推广。本研究针对稻麦轮作系统，采用高通量测序、QPCR等方法，对以下三个问题进行了研究：1、分析长期秸秆还田对稻麦轮作土壤中AOA和AOB群落结构及多样性分布特征的影响；2、由于秸秆养分的缓释效果和土壤季节性的干湿交替变化，探索在稻麦两季不同生长期中，土壤中AOA及AOB对秸秆还田的响应机制；3、揭示长期秸秆还田对稻麦轮作土壤硝化作用的影响，以及AOA和AOB在硝化作用中的相对贡献。项目试验结果显示，1）与常规施肥相比，秸秆和秸秆生物炭仅在小麦生长季显著增加AOB的丰度和多样性（P<0.05），其排序为生物炭处理>秸秆处理>常规处理；三个施肥处理中，秸秆还田和常规施肥在群落结构上呈显著性差异（R=0.58，P =0.02）；相反的是，除了在麦季生物炭处理显著增加土壤AOA丰度外，AOA群落几乎对有机物添加无响应；2）有机添加物没有改变AOB丰度的时间动态趋势，但改变了AOA丰度的时间变化趋势。与常规施肥相比，秸秆处理和混施肥处理在10次取样中显著降低了AOB种群大小，分别降低了34.49%和16.42%，而4种施肥方式之间AOA种群丰度大小无显著差异；有机添加处理对0~100cm深度土壤总AOB丰度均有较高的影响。但只有生物炭处理的总AOA丰度比常规处理高24.91%；3）秸秆和秸秆生物炭添加后，土壤潜在硝化速率(PNR)在稻麦两季均与AOB丰度呈正相关（P＜0.01），而与AOA丰度则无显著相关性（P值分别为0.211和0.068）。项目深入探索了AOA和AOB在稻麦轮作秸秆及秸秆生物炭还田影响下的适应与响应机制，明确了其还田对土壤硝化作用的影响，为理解秸秆及秸秆生物炭还田在土壤氮循环中的意义及更好的应用秸秆还田技术提供了科学依据。