黄土塬区长期施肥和轮作对土壤氮循环微生物及生态功能的影响

Loess Plateau is one of important vulnerable ecological reigons in China.It is important to understand the changes of agricultural soil function under long-term fertilization as high level of N fertilizer can drive soil acidification and degrade soil.The wheat yield was increased after long-term fertilization in Loess Plateau.At the same time,soil organic carbon content was also increased after long-term fertilization under continuous wheat and wheat-legume rotation systems. Soil organic carbon was important to maintain soil fertility and soil function.However, the change of soil function under long-term fertilization and rotation in Loess Platetu was known little. The functional communities involved in nitrogen cycle have been suggested as models for ecology studies aiming at elucidating the changes of agroecosystem functioning.Thus,in this study,the abundance and community composition of ammonia oxidizers and denitrifiers will be analyzed by real-time PCR and DGGE to study the dynamics of ammonia oxidizers and denitrifiers during wheat growing and fallow season.At the same time, Soil nitrification potential and denitrification potential will also be determined.The effects of long-term fertilization and rotation on nitrogen cycling communities and function will also be discussed.This study will provid evidance for nitrogen cycling communities as indicator to assess the changes of agroecosystem functioning in Loess Plateau.

黄土塬区长期连作施肥，不仅使小麦产量显著增加，土壤有机碳含量也有稳定增加的趋势。此外，小麦与豆科植物轮作，也可以显著增加土壤有机碳含量。土壤有机碳含量的增加对维持土壤肥力乃至土壤生态功能的保持都具有重要的作用。然而，关于黄土塬区长期施肥和轮作土壤生态功能的变化，则研究较少。鉴于氮循环中的功能微生物可作为生态研究中的模式生物用来研究或预测农业生态系统功能的变化，本项目基于中国科学院长武黄土高原农业生态试验站长期施肥和轮作试验，将传统方法与分子生物学方法相结合，通过分析氨氧化微生物和反硝化微生物的群落结构、丰富度及功能的变化，探讨小麦生长期和休闲期氮循环微生物的群落结构和丰富度的演替规律，深入剖析黄土塬区长期施肥和轮作对土壤氮循环微生物及生态功能的影响机制，为从微生物及生态功能的角度，采用氮循环微生物作为黄土塬区农田土壤生态功能变化的指示生物提供理论依据。

土壤微生物在碳氮循环等生态系统功能方面起着重要作用。黄土高原生态系统脆弱，化肥和作物轮作均显著增加土壤的有机碳含量。土壤有机碳含量增加可以显著改善土壤质量，如增加土壤持水量和养分含量等，影响土壤微生物的组成和活性，从而影响土壤生态功能，如生态系统过程速率、养分循环等。因此，理解施肥和轮作等农田管理措施对土壤微生物及其生态功能的影响，对改善农田管理、尤其是生态脆弱区的农田管理具有重要的指导意义。.本研究基于中国科学院长武黄土高原生态试验站的长期施肥和轮作试验，将传统方法与分子生物学方法相结合，分析了土壤中细菌、氨氧化微生物和反硝化微生物的丰富度、群落组成和结构以及土壤生态功能，研究了小麦生长期和休闲期氮循环微生物的群落结构和丰富度的演替规律，揭示了黄土塬区长期施肥和轮作对土壤氮循环微生物及生态功能的影响。.小麦生长时期显著影响了轮作和施肥土壤的细菌、氨氧化古菌和亚硝酸盐氧化细菌的群落结构。然而，生长时期对不同微生物的影响不同，如小麦生长时期影响了施肥土壤中的氨氧化古菌群落结构，而亚硝酸盐氧化细菌在施肥和不施肥土壤中，不同生长时期其群落结构不同。氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的群落结构，在不施肥、有机肥和化肥土壤各不相同。与不施肥相比，施肥显著增加了土壤氨氧化细菌中亚硝化单胞菌的丰富度。小麦花期和休闲期，小麦-红豆草和小麦-玉米-糜子轮作土壤中氨氧化古菌的群落结构与小麦连作不同。小麦花期轮作土壤中反硝化细菌的群落结构与连作不同。不同施肥土壤氨氧化古菌的群落结构与硝态氮和土壤呼吸显著相关，而氨氧化细菌的群落结构与土壤呼吸、硝化势和矿化等呈显著相关关系。土壤反硝化细菌的群落结构与反硝化势、土壤呼吸和微生物量等显著相关。在轮作土壤中，氨氧化细菌和氨氧化古菌的群落结构均与土壤硝态氮相关。此外，在施肥与轮作土壤中，土壤细菌、氨氧化细菌和氨氧化古菌的丰富度与硝态氮、铵态氮和硝化势显著相关；细菌和反硝化细菌（nosZ，nirS，nirK）的丰富度与硝态氮和反硝化势显著相关。以上研究结果为氮循环微生物作为黄土塬区农田土壤生态功能变化的指示生物奠定了基础。