鉬調控黃棕壤氮素轉化及其微生物機制研究.pdf

1、鉬是植物、動物和微生物生長所必需的微量營養(yǎng)元素，已有研究多關注于鉬促進植物對氮素的吸收同化、增加土壤固氮能力等方面，有關鉬對土壤氮循環(huán)的調控機制，尤其是對硝化作用、反硝化作用、氧化亞氮(N2O)排放等氮素轉化關鍵過程的影響研究并不多見。因此，本研究采用長期定位田間小區(qū)、根箱、室內培養(yǎng)試驗，結合高通量測序、qPCR等分子技術，分析土壤鉬豐缺對氮素轉化關鍵過程的調控作用，并探討作物根系、土壤pH、季節(jié)變化對調控過程的影響，以闡明鉬調控土壤氮

2、素轉化的微生物機制。獲得的主要結論如下:
　　1.長期定位田間小區(qū)試驗中，經過7年連續(xù)試驗，長期施鉬將土壤有效鉬含量從0.16mg/kg顯著提高至0.98mg/kg，長期施鉬處理蔬菜累積產量、蔬菜氮素攜出量和肥料氮利用率分別增加11.56％、18.41％和8.18％，土壤硝態(tài)氮(NO3--N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、微生物量氮(MBN)和全氮含量分別減少13.53％、29.48％、40.37％、和11.88％。因此，長期施鉬通過

3、提高作物產量和氮素攜出量以降低土壤氮組分含量，通過降低土壤硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(Nir)活性和反應底物濃度削弱硝化和反硝化作用以減少氮素氣態(tài)損失，以此促進植物氮利用和調控土壤氮轉化，減少土壤氮尤其是活性氮富集，進而降低氮損失的環(huán)境風險。
　　2.長期定位試驗田土壤微生物物種豐富，細菌主要包括14個門，變形菌、酸桿菌、放線菌和綠彎菌為優(yōu)勢種群，真菌主要包括7個門，子囊菌和擔子菌是優(yōu)勢種群。長期施鉬增加土壤細菌16S rR

4、NA數量，在早春顯著誘導nirK、在初夏顯著誘導nosZ基因數量增加;長期施鉬減少土壤細菌和真菌特有OTU的數量，降低土壤微生物的特異性。在細菌水平，缺鉬誘導疣微菌門出現，顯著增加OTU750豐度;在真菌水平，施鉬顯著降低變形蟲門Gracilipodida和OTU40豐度。季節(jié)變化對細菌和真菌群落結構、多樣性和功能基因豐度的影響更為明顯:早春誘導細菌和真菌特有OTU的出現，增加土壤微生物的特異性，AOA基因數量較高;初夏時細菌16SrR

5、NA數量、AOB和反硝化基因數量較高。細菌水平上，早春誘導疣微菌門出現;初夏顯著增加OTU1134和OTU1617豐度。真菌水平上，早春顯著增加OTU168和OTU184豐度;初夏顯著增加接合菌門、OTU153、OTU197豐度。
　　3.根箱試驗中，根區(qū)、非根區(qū)土壤氮素轉化是兩個不同的系統。在根區(qū)土壤中，土壤pH值隨施鉬水平增加而升高;土壤NO3--N含量在0.15和0.3mg/kg施鉬水平時顯著增加、在1mg/kg施鉬水平時顯

6、著降低;過氧化氫酶活性顯著降低;PDA為負且隨施鉬水平增加顯著降低;narG和nosZ基因數量顯著增加。在非根區(qū)土壤中，隨施鉬水平的增加，土壤NO3--N含量和NR活性顯著降低;narG基因數量顯著增加。土壤pH值、NO3--N含量、過氧化氫酶活性、表觀硝化速率(ANR)和nosZ基因數量在根區(qū)顯著高于非根區(qū);相反，土壤NH4+-N含量、全氮含量、Nir活性、PDA、AOB、nirK和nirS基因數量在根區(qū)顯著低于非根區(qū)土壤。因此，鉬在

7、冬小麥根-土氮素轉化過程中起的主要作用是，適當的施鉬水平（0.3mg/kg）能促進NO3--N和MBN由非根區(qū)向根區(qū)土壤轉移，增加作物生物量和氮攜出量，同時削弱根區(qū)和非根區(qū)土壤反硝化潛勢。
　　4.培養(yǎng)試驗中，在pH5.3的酸性土壤中，1mg/kg施鉬水平顯著增加土壤N2O釋放速率且在培養(yǎng)的24h之后顯著抑制AOA、AOB、narG、nosZ、nirK和nirS基因數量;施鉬在培養(yǎng)的48h之前顯著減少、在72h顯著增加土壤NH4+

8、-N含量。在pH7.5的堿性土壤中，土壤N2O總排放高于酸性土壤且在24h出現排放峰，除24h外，施鉬在其他時間點均抑制N2O釋放速率;施鉬水平為0.3mg/kg時土壤NH4+-N含量在6h和12h顯著增加;施鉬水平為1mg/kg時土壤NO3--N含量在6h時顯著降低、在48h時顯著增加，土壤NH4+-N含量在12h和72h顯著增加、在48h顯著降低;兩個鉬水平在不同培養(yǎng)時間點對功能基因數量的影響不同。
　　以上研究結果表明，缺鉬

9、導致土壤氮富集和環(huán)境氮排放的主要過程是:作物生物量低，氮素攜出少，土壤氮組分尤其是活性氮含量高，硝化作用和反硝化作用活躍。施用鉬肥通過增加作物生物量、促進NO3--N和MBN從非根際土壤向根際土壤轉移、增加作物氮素攜出降低土壤NH4+-N、NO3--N、MBN和全氮含量，減少土壤氮素殘余;通過抑制氨氧化微生物數量削弱硝化作用;通過降低底物濃度和調控反硝化微生物數量在酸性土壤中削弱反硝化作用。因此，在缺鉬土壤中，施用鉬肥對于提高氮肥利用效