湖北桑园土壤氨氧化微生物种群结构与氮循环关系研究

Mulberry site conditions are generally poor in Hubei province, and in order to acquire high leaf yield, long-term single nitrogen fertilizations were used in mulberry, which resulted in soil serious acidification and nitrogen use efficiency is low. The direct reflection of soil acidification is the changes of soil functional microbial diversity (ammonia-oxidizing microbes). Aiming at the above issues, the community structures of ammonia-oxidation microbes were studied using Real-time PCR and PCR-DGGE techniques in long-term applied nitrogen but different planting ages mulberry and the same planting age but different fertilization practices mulberry. The action mechanisms of ammonia-oxidizing microbial community structure and activity changes in nitrogen cycle were clarified by soil fumigation sterilization and adding nitrification inhibitors. In addition, 15N isotope dilution-in situ culture method was used to determine the total nitrogen mineralization rates and nitrification rates of soil. Above study could reveal the relationships between ammonia-oxidizing microbial community structure and nitrogen mineralization rates and nitrification rates under different fertilizations, which could provide theoretical basis for nitrogen management and regulation of mulberry.

湖北桑园立地条件普遍较差，为追求产叶量，蚕农长期偏施氮肥，土壤酸化较严重，氮素利用率低。土壤酸化等环境条件变化的直接反映就是土壤功能微生物（氨氧化微生物）多样性的变化。本项目针对以上问题，利用Real-time PCR和PCR-DGGE等微生物实验技术，研究长期偏施氮肥不同栽植年限桑园和相同栽植年限不同施肥管理措施桑园土壤氨氧化微生物种群结构演替规律；模拟田间环境条件培养桑园土壤，通过土壤熏蒸灭菌及添加硝化抑制剂等方法，阐明氨氧化微生物群落结构及活性变化在氮素循环过程中的作用机制；采用15N同位素稀释-原位培养法测定土壤氮总矿化速率和总硝化速率，结合土壤氨氧化微生物种群结构变化规律，揭示不同施肥措施桑园土壤氨氧化微生物种群变化与土壤氮矿化速率、硝化速率之间的关系，为桑园氮素的有效管理及调控提供依据。

湖北桑园立地条件普遍较差，为追求产叶量，蚕农长期偏施氮肥，土壤酸化较严重，氮素利用率低。氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和氨氧化古（ammonia-oxidizing archaea，AOA）是执行土壤氮素养分转化的关键微生物。本项目研究长期偏施氮肥不同栽植年限（0年，0Y；4年，4Y；17年，17Y；32年，32Y）桑园和相同栽植年限不同施肥管理措施（单施氮肥，N；氮磷钾配施，NPK；施用桑树专用有机无机复混肥，OIO；未施肥对照-CK）桑园土壤氨氧化微生物种群结构演替规律，揭示不同施肥措施桑园土壤氨氧化微生物种群变化与土壤氮矿化速率、硝化速率之间的关系。AOB与AOA对不同氮肥施用年限的响应不同，4Y土壤AOB amoA基因丰度最高，其次为对照，而32Y土壤AOB amoA基因的丰度最低。然而，17Y和32Y土壤AOA amoA的丰度高于4Y和0Y处理土壤，但差异不显著。相关分析表明，AOA的多样性指数（H）和相对丰度与土壤pH、土壤硝化潜势（PNR）相关性不显著，而AOB丰度与土壤pH值和有机质含量呈显著正相关，而与PNR和硝化速率呈显著负相关；DGGE结果表明，不同氮肥应用年限导致桑园土壤AOB种群结构变化明显，但AOA变化不明显，以上结果表明，在长期偏施氮肥的酸性土壤中，AOB在土壤硝化作用中发挥主导作用。与单施N肥、NPK肥及未施肥处理的桑园土壤比较，OIO处理桑园土壤中AOB和AOA amoA基因的丰度及群落结构的多样性指数较高。从不同肥料处理组桑园土壤样品的AOB和AOA扩增条带的位置与明亮程度存在差异，表明不同肥料处理组桑园土壤样品间的氨氧化微生物群落结构不同，且优势种群有一定变化。主成分分析表明，施用有机-无机复混肥处理组与未施肥处理组（CK ）土壤间的AOB种群结构差异较大，而AOA种群结构差异较小。表明桑园土壤中的氨氧化微生物对施入不同肥料的响应不同，施用有机-无机复混肥有利于提高桑园土壤氨氧化微生物群落的多样性。 添加硝化抑制剂及土壤熏蒸处理抑制了具有硝化作用的氨氧化微生物的活性，从而达到抑制了硝化过程的作用，减少了氮素的损失。发表学术论文6篇。培养硕士研究生1名，国家发明专利授权1项。