基于华北平原节水型种植制度氮素循环及微生物调控机制研究

The long-term intensive winter wheat-summer maize cropping system has led to serious threatens, such as over-exploitation of groundwater, excessive nitrogen fertilizer input and increased greenhouse gas emissions, in the North China Plain. Construction of new water-saving cropping system is an effective measure to achieve the green development of agriculture in this region. However, the nitrogen utilization, greenhouse gas emissions and nitrogen cycling and their regulation mechanisms in the crop-soil system of the newly constructed water-saving cropping systems is poorly understood. This study is designed to investigate the nitrogen utilization, transfer and distribution in the crop-soil system, soil N2O emissions and nitrogen cycling and their microbial regulation mechanisms based on a location experiment of four planting patterns (spring peanut→winter wheat-summer maize, spring soybean→winter wheat-summer maize, spring millet→winter wheat-summer maize, and winter wheat→summer maize) in the North China Plain, using the 15N isotope labeling, static chamber-gas chromatography, indoor incubation, reverse transcription PCR and DNA-based stable isotope probe tracing approaches. Our results can provide technical support and theoretical guidance for regulation of the nitrogen cycling in the crop-soil system of the new water-saving cropping systems in the North China Plain.

华北平原长期集约的冬小麦-夏玉米种植模式导致了该区域面临地下水超采突出、氮肥投入过量和温室气体排放增加等问题。构建节水型种植制度是实现该区域农业绿色发展的重要举措，但新模式下作物-土壤系统的氮素利用，温室气体排放与氮循环过程及其调控机制尚缺乏系统研究。本项目以华北平原四种节水型轮作种植模式（春花生→冬小麦-夏玉米，春大豆→冬小麦-夏玉米，春谷子→冬小麦-夏玉米和冬小麦-夏玉米）田间定位试验为基础，采用15N同位素标记、静态箱-气相色谱、室内培养、反转录PCR、高通量测序及稳定性同位素核酸探针示踪（DNA-SIP）等技术，阐明节水型种植制度作物-土壤系统的氮素利用、转移与分配规律，明确土壤氧化亚氮（N2O）排放特征与氮循环过程及其微生物调控机制。为定向调控华北平原节水型种植制度作物-土壤系统的氮循环过程提供技术支撑与理论指导。

集约化的冬小麦-夏玉米模式导致了华北平原面临地下水超采突出、温室气体排放加剧等问题。构建新型种植制度是实现该区域农业绿色发展的重要举措，但新模式的作物生产、温室气体排放、氮素利用及其微生物调控机制缺乏系统研究。本项目利用大田试验、15N同位素示踪和土壤酶学技术等手段研究了不同种植模式作物生产、水氮利用、温室气体排放及土壤酶学特征，结合高通量测序技术揭示土壤氮素循环相关微生物的多样性、群落组成及调控因子。结果表明：与冬小麦-夏玉米相比，两年三熟模式在轮作周期内总耗水减少14-15%、氧化亚氮排放降低24-56%、碳排放降低25-36%，具有明显的节水减排潜力。春花生→冬小麦-夏玉米的当量产量、经济效益和水分利用效率分别增加21%、16%和43%。两年三熟模式能提高0-20 cm土壤的β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶等酶活性以及总碳氮磷获取酶活性，显著提高0-20 cm土壤生态系统多功能性（EMF），但降低20-40 cm土壤EMF。基于15N同位素标记的结果表明，冬小麦植株氮素积累中0.3-0.7%来自于尿素氮（Ndff），1.9-5.4%来自于前茬秸秆氮。与冬小麦-夏玉米相比，冬小麦-夏大豆中冬小麦的总氮吸收量降低31%，但来自于尿素氮和秸秆氮分别增加83%和190%。豆禾轮作显著增加氨氧化古菌中泉古菌门以及氨氧化细菌中变形菌门相对丰度。根际土中豆禾轮作模式与冬小麦-夏玉米的氨氧化古菌群落结构发生明显分离，而非根际土中氨氧化细菌群落发生分离，并且土壤pH值和速效氮含量分别是驱动氨氧化古菌和氨氧化细菌群落结构变化的重要因子。施肥显著增加了土壤微生物碳氮量、细菌和真菌的群落多样性，并改变其群落组成、网络结构与功能，尤其是在根际土中。施化肥使细菌网络的平均度和密度分别增加6-10%和4-6%，施有机肥使真菌网络的边数和平均度分别增加13-16%和11-16%。上述研究结果丰富了新型种植制度作物生产、水氮利用、温室气体排放及微生物调控的理论基础，为华北平原新型种植制度作物-土壤系统的作物生产、氮素高效利用及温室气体减排提供了理论指导。