免耕稻田土壤硝化作用与功能微生物的变化及对水稻氮吸收的影响

Nitrification in paddy soil is one of important components of terrestrial nitrogen cycling, which affects nitrogen uptake by rice. Tillage practices affect soil nitrifying microorganism and nitrification through altering soil carbon/nitrogen substrate and permeability. However, the crop growth masks generally the tillage effects on nitrifying microorganism and nitrification. In addition, relative few studies investigated relationships among nitrification, nitrifying microorganisms and rice nitrogen uptake under no-tillage based on the soil-microorganism-crop system. Therefore, a field experiment established 5 years ago will be conducted to study the effects of different tillage modes (conventional tillage, conventional no-tillage, and no-tillage with wide ridge) on nitrifying microorganism and nitrification in central China. Using RT-PCR and PCR-DGGE methods, our objective is to assess seasonal changes in AOA and AOB abundance and structure under different tillage modes, and also to estimate contributions of AOA and AOB to soil nitrification. Moreover, the study will discuss the seasonal changes in soil NH4+ content, NO3- content, and nitrification as affected by tillage modes. Furthermore, the study will reveal the relationships among nitrification, nitrifying microorganism and rice nitrogen uptake under different tillage modes by Structure Equation Modeling and Rice Nitrogen Uptake Modeling. Therefore, the study will provide a scientific basis on how to apply nitrogen fertilizer in rice field to develop sustainable rice production.

稻田土壤硝化作用是陆地氮循环的重要组分之一，也是影响着水稻氮吸收的潜在途径。耕作通过改变土壤底物浓度与通气性，影响硝化微生物与硝化作用，然而作物的生长往往掩盖与混淆了耕作对其的影响。同时，当前研究较少从“土壤—微生物—作物”角度探讨免耕稻田土壤硝化作用、硝化微生物与水稻氮吸收的内在关系。为此，本项目拟以创建5年的常规翻耕、平作免耕与厢作免耕稻田为研究对象，利用定量—聚合酶链式反应方法、聚合酶链式反应—变性梯度凝胶电泳法等研究硝化功能微生物（氨氧化细菌AOA、氨氧化古菌AOB）的丰度与结构的动态变化特征，探明其对硝化作用的相对贡献；通过大田多时段采样分析，研究稻田土壤硝化作用的动态变化规律；结合水稻氮吸收模型与结构方程模型，探明免耕稻田硝化作用、功能微生物与水稻氮吸收的关联机制，揭示硝化作用对水稻氮吸收的影响。本项目旨在为免耕稻田合理施用氮肥与推广免耕技术提供科学依据。

稻田土壤硝化作用是陆地氮循环的重要组分之一，也是影响着水稻氮吸收的潜在途径。当前研究较少从“土壤—微生物—作物”角度探讨免耕稻田土壤硝化作用、硝化微生物与水稻氮吸收的关系。本项目以常规翻耕、平作免耕与厢作免耕稻田为研究对象，利用分子生物学技术等研究硝化功能微生物（氨氧化细菌AOA、氨氧化古菌AOB）的丰度和土壤硝化作用的变化特征，探明了免耕稻田硝化作用、功能微生物与水稻氮吸收的关联机制。研究结果表明：1）与常规翻耕相比，免耕显著降低稻田CH4排放，降幅达18.1%-34.0%，其中垄作免耕的作用更为明显（25.7%-34.0%），但耕作措施对土壤N2O的排放没有显著影响。2）相比于常规翻耕，免耕显著提高了土壤NO3-、NH4+、Eh与SOC，降低了DOC，同时显著提高了硝化速率（7.9%-39.5%），其中垄作免耕增加尤为显著（19.4%-39.5%），但耕作对反硝化速率影响不显著。3）免耕相比于传统翻耕增加了土壤硝化微生物群落代谢，其中垄作免耕对AOA（35.1-71.6%）与AOB（28.5-60.2%）丰度影响最显著。4）垄作免耕显著影响根系形态及酶活性，与传统耕作相比，垄作免耕显著提高了根系长度（13.2%-16.5%），根表面积（15.9%-29.8%），根体积（15.9%-17.9%），提高了硝化还原酶活性，但谷氨酰胺合成酶方面却没有观察到显著性；5）与传统翻耕相比，垄作免耕水稻产量提高了15.5%-33.3%，氮素累积量提高了19.8%-30.7%，氮肥偏生产力提高了19.8%-30.7%。我们的结果表明，耕作影响着硝化微生物的群落活性，进而影响硝化与反硝化作用，从而促进根系形态与酶活性，最终影响着水稻的氮吸收。本研究结果为免耕稻田合理施用氮肥与推广免耕技术提供科学依据。