酸化对黄褐土含amoA和nosZ基因微生物类群结构演变和功能影响

Excessive use of nitrogen fertilizer is the main reason for the acceleration of soil acidification in major Chinese croplands. So far, the response mechanism of nitrogen transformation to the accelereating acidification is still not well known. In this study, yellow-cinnamon soil in high intensive vegetable production systems is chosen for identifying the changes in the structure and function of the microbial community containing amoA and nosZ genes, closely related to the negative environmental inpacts, with soil acidifying. The objectives of this study are: 1) to clarify the regularity of changes in abundance and structure of the microbial community containing amoA and nosZ genes; 2) to compare the differences of nitrification rate in situ among treatments and to distinguish the contribution rates of nitrification potential between AOA and AOB; 3) to identify the N2O reduction ability affected by denitrifying bacteria structure, not disturbed by the change of N2O enzyme activity when pH changes. The project will help to deepen our understanding of the response mechanism of nitrogen transformation to the accelereating acidification, to improve the nitrogen use efficiency and to reduce the environmental pollution in intensive agriculture systems.

氮肥过量施用是我国农田土壤酸化加速的主要原因，但目前尚不清楚酸化如何影响土壤氮素转化的。本项目拟以黄褐土上酸化强度最大的设施菜田土壤为研究对象，研究不同种植年限酸化土壤中，与环境负面效应紧密相关的含amoA和nosZ基因微生物类群结构演变和功能变化特征：旨在1) 揭示含amoA和nosZ基因微生物类群结构演变和丰度变化规律；2) 比较田间硝化速率差异，并区分氨氧化细菌和氨氧化古菌的硝化贡献率；3) 明确类群结构和N2O还原酶本身活性改变对N2O还原力的影响。开展本项目研究，有助于理解氮转化关键微生物对土壤酸化的响应，对深入认识酸化土壤中氮素转化过程具有重要理论意义；研究也能为提高集约化农业中氮肥利用效率、降低环境污染提供理论基础。

还原性氮肥过量施用会导致土壤酸化，但目前尚不清楚酸化如何影响氮素转化的。本研究以设施菜田不同种植年限土壤为研究对象，通过分子微生物学和生物化学方法重点研究含 amoA 和nosZ 基因微生物类群结构演变和功能变化特征。结果表明，随种植年限增加，含amoA基因的细菌和古细菌的结构发生显著变化，3-9年种植年限group I.1a古细菌相对丰度最高，而1年处理groupI.1b丰度最大。含amoA基因细菌中cluster 2、10和12的相对丰度在种植5-9年的处理最高，亚硝化单胞菌和未分类3组亚硝化螺菌属分别在1年和3年种植年限最高。含nosZ 基因微生物类群也受到种植年限显著影响，5-9年处理中Ⅳ组菌群丰度较高。除了pH的影响外，可溶性有机碳显著影响两类菌群结构。在土壤酸化的1-5年里，含amoA基因的细菌对硝化过程起主要作用，而在7-9年后，含amoA基因的古菌则起主导作用。3和9年处理的硝化潜势最高，而此时土壤中NO3-含量也最大，应该注意硝酸淋洗风险。随着种植年限增加，N2O/(N2O+N2)产物比例有增加的趋势，因此推测种植年限的增加导致的N2O还原力下降，是老棚龄菜田温室气体高排放的主因。