土壤微生物对还田秸秆小分子有机氮的直接利用及影响机制

Straw return is the important strategy to improve soil fertility and decrease application amount of nitrogen fertilizer. Soil microorganisms can use a wide range of N compounds including inorganic N and organic molecules during straw mineralization. When organic molecules are the main materials for microorganisms to assimilate N, gross N mineralization underestimates the amount of N which is available to microorganisms. So it is important to explore different assimilation pathways of soil N by microorganisms. Amino acids are the dominant part of N during straw mineralization. How the microorganisms to absorb amino acids in soils can contribute researchers to understand the issues about soil organic N nutrition. Based on incubation and micro-field experiments, we combined isotope technique, gas chromotagraphy/mass spectrometry to show how the amino acids were used by microorganisms under different plant residues(different C/N) and different inorganic N addition. Together with amino acid mineralization, amino oxidase and soil C,N paramters, we explore the mechanisms of the direct assimilation by soil microorganisms. From the research, we aim to determine significance of organic nitrogen uptake from plant residues by soil microorganisms affected by carbon and nitrogen availability and N availability to crop growth. Our research can help evaluating nitrogen supply capability in agricultural land.

秸秆还田是目前我国农田土壤培肥和减少化肥施用量的重要举措之一。新近研究证明：微生物不仅利用秸秆完全矿化后形成的无机氮，也能直接利用未完全矿化的小分子有机氮。因此，使用传统的氮矿化表征氮有效性的方法低估氮素真正供应能力。但由于小分子有机氮周转速度极快，在方法学上的限制阻碍了有机氮营养研究的进一步拓展。本项目以新开发的13C-15N同位素双标记-气质联机测定土壤微生物胞内氨基酸技术为基础，应用室内培养和田间微区试验相结合的方法,探讨施用不同作物秸秆和配施不同量无机氮肥条件下微生物对小分子有机氮的直接利用特征及对植物氮吸收的影响，结合氨基酸矿化量、氨基酸氧化酶、土壤碳,氮等指标，阐明微生物对还田秸秆小分子有机氮直接利用的影响机制。通过本研究明确在不同碳氮有效性条件下土壤微生物对还田秸秆小分子有机氮的利用特征及与土壤氮植物有效性之间的关系，为进一步精确评价土壤氮素的供应能力提供参数。

氮是植物和微生物生长和繁殖的必须营养元素，土壤微生物不仅可以利用土壤中的无机氮，也可以直接利用土壤的小分子有机氮，当土壤微生物以直接利用有机氮的途径作为同化氮的方式时,以往使用氮矿化表征其生物有效性的方法低估了氮素真正供应能力,因此微生物对有机氮的直接吸收利用研究对正确认识氮的转化特征具有重要的意义。有机氮是土壤氮的主要形态,而氨基酸氮是最大的有机氮库,研究微生物对氨基酸的直接吸收是探讨微生物有机氮营养的突破点。但由于小分子有机氮周转速度极快，在方法学上的限制阻碍了有机氮营养研究的进一步拓展。本项目以新开发的13C-15N同位素双标记-气质联机测定土壤微生物胞内氨基酸技术为基础, 应用室内培养和盆栽试验相结合的方法,探讨不同碳源（葡萄糖，作物秸秆）与无机氮（硫酸铵）配施条件下微生物对小分子有机氮（氨基酸）的吸收特征及相关变化对植物氮吸收的影响, 结果表明：.不同碳氮比的葡萄糖和硫酸铵配施，显著影响了土壤微生物吸收甘氨酸。氨基酸施入土壤后，24 h内被微生物完全降解。当单施硫酸铵时，只有11%-44%的甘氨酸被微生物矿化，表明在碳源受限的情况下，微生物吸收甘氨酸以直接途径为主。当土壤中施用碳氮比较高（C/N=30：1）的底物时，培养第一天，只有5%的甘氨酸被矿化，但随着培养时间的延长，培养结束时（60 d）甘氨酸矿化的比例增加至65%，表明微生物吸收甘氨酸从直接途径向矿化-固持途径转变。.应用特定化合物稳定性同位素示踪技术测定了秸秆降解过程中土壤微生物吸收的甘氨酸，结果表明，单施氮肥的条件下，微生物吸收的双标记甘氨酸显著低于对照处理，说明无机氮充足的条件，土壤微生物优先吸收无机氮。但氮肥与秸秆配施后，土壤微生物吸收的13C,15N-甘氨酸显著增加，且土壤酶活性，土壤生物量碳、氮也显著升高，土壤无机氮和植物全氮含量下降，说明当土壤无机氮被消耗后，土壤微生物可以吸收氨基酸满足其自身生长繁殖的需要。.向土壤中添加碳源，为微生物提供了足够的能量，土壤微生物新陈代谢速率加快，能够更快地利用无机氮向微生物量氮转化。碳源的供给在明显提高土壤微生物的活性的同时，显著降低了无机态氮在土壤中的积累，因此通过外加 碳源的调控，起到了定向调控 氮素转化过程的目的，降低了无机氮肥损失的风险。