水稻土类型和管理措施对稻田生物固氮能力的影响及其机制

Paddy system can do biological N2 fixation and its fixation capacity and diazotrophs are impacted by soil properties and field managements, however the extent and diazotrophs by soil properties and field managements to regulate biological nitrogen fixation are still elusive. Black soil, huangni soil, purple soil and red soil from rice main production regions in China will be chosen to investigate their capacity to fix N2, diazotrophs, soil properties and their relationships. Near-nature air-tight plant growth system and 15N2 labelling technique will be used to investigate how rice planting, no-rice planting, nitrogen application rate and straw amendment impact phototrophic N2 fixation and heterotrophic N2 fixation, how the fixed N is allocated in rice and soil at rice planting condition. High throughput sequencing of 16S rRNA and nifH genes will be used to investigate how rice planting, no-rice planting, nitrogen application rate and straw amendment impact diazotrophic communities and abundances. Nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS), DNA-stable isotope probing (DNA-SIP) and High throughput sequencing will be used to investigate active diazotrophs. The project will elaborate how the soil properties and field managements impact paddy biological N2 fixation and diazatrophs, and the results will supply theories to enhance paddy N2 fixation and reduce N fertilizer application.

土壤类型和农艺管理措施影响稻田生物固氮，然而其对固氮量和固氮微生物影响的研究仍然缺乏，严重影响稻田生物固氮作用的发挥。项目将选择我国水稻主产区的黑土、黄泥土、紫色土、和红壤为研究对象，采用田间原位智能气密植物生长箱15N2稳定性同位素标记技术，研究水稻种植、水稻不种植、施氮量和秸秆还田对光合固氮和异养固氮量的影响；研究水稻种植条件下生物固定的氮在植株和土壤中的分配。采用16S rRNA基因和nifH基因高通量测序技术研究水稻种植、水稻不种植、施氮量和秸秆还田对固氮微生物群落结构和丰度的影响；采用纳米二次离子质谱技术(NanoSIMS)和稳定性同位素探针技术(DNA-SIP)研究水稻种植、水稻不种植、施氮量和秸秆还田对活跃固氮微生物的影响；研究土壤性质和农艺管理措施与活跃固氮微生物和固氮量的相互关系。本项目的开展将对我国稻田土壤固氮能力提升和减少氮肥用量具有重要意义。

稻田含有自由固氮、共生固氮和联合固氮，对维持稻田生产力具有重要作用。研究结果表明稻田生物固氮具有明显的区域差异。42天15N2标记表明黑土发育水稻土（吉林长春、下位砂姜土发育水稻土（江苏江都）、红壤发育水稻土（江西鹰潭）和紫色土发育水稻土（四川盐亭）固氮量分别为6.7±1.9，9.4±2.7. 2.2±0.5，20.1±3.7kg/ha，而且与念珠藻目的微生物数量呈正相关。土壤无定性铝氧化物含量决定念珠藻目微生物数量，进而决定土壤生物固氮能力。.稻田活跃固氮微生物研究一直是这个领域的难点，同时植稻对固氮量的影响一直未得到阐明。利用15N2同位素标记技术，15N2-DNA同位素探针技术和纳米二次离子质谱技术，首次开展了研究。28天标记结果表明植稻土壤生物固氮量为11.33±1.90kg/ha，而不植稻土壤只有3.55±1.18kg/ha。生物固定的氮有95%以上来自于0-0.5cm土层。nifH基因测序表明植稻显著影响了固氮菌的群落组成。念珠藻目Nostocales和真枝藻目Stigonematales在植稻土壤中显著高于非植稻土壤。纳米二次离子质谱影像清晰显示了15N被同化到DNA中。15N富集DNA离心层nifH基因测序表明念珠藻目和真枝藻目是稻田主要固氮微生物。.生物固氮受施氮量和灌溉管理方式影响，但影响程度一直未得到阐明。研究结果表明当施氮量为125-250kg/ha时，稻田生物固氮下降81-86%。施氮对1-15cm固氮的抑制作用大于对0-1cm。相对于连续灌溉，间隙灌溉促进了水稻生长，并促进了0-1cm土层固定的氮向水稻转移，但对总固氮量没有显著影响。.秸秆还田是农田管理中的常用措施，但秸秆碳源的生物有效性对生物固氮的影响一直未得到研究。采用15N2标记、nifH基因(DNA)和nifh RNA基因（cDNA）测序技术，研究结果表明成熟期小麦秸秆还田处理固氮菌数量是不还田的4.88倍，但松枝还田处理没有显著影响。秸秆还田对蓝细菌数量没有显著影响。成熟期小麦秸秆还田处理生物固氮量是不还田的2.07倍，但小于固氮菌数量增加的4.88倍和活跃菌数量增加的28.57倍，而且增加的菌都是异养菌，说明异养菌的固氮效率比较低。