柑橘园土壤硝化活性及功能微生物群落演替规律与环境关系的研究

Citrus industry is a typical reforestation pattern in the Three Gorges Reservoir Area. However, long-term intensive crop-culture causes soil degradation and non-point pollution. The heavy fertilizer application would provide sufficient substrates for nitrifiers, which promotes soil nitrification, causing greenhouse gas emissions and decreasing nitrogen use efficiency. At present, the effects of citrus planting on soil nitrification activity and the community and function of the related microbes remain unclear. In this research program, field experiment and microcosm incubating study are combined. 15N labeling technique is used to study soil nitrification activity. 13CO2-DNA-based stable isotope probing, real-time polymerase chain reaction and high-throughput sequencing will be used to study the effects of citrus planting age on the abundances, communities and ecological functions of ammonia-oxidizing bacteria, ammonia-oxidizing archaea, nitrite-oxidizing bacteria and complete ammonia oxidizers, clarifying the community structure successional law of nitrifiers and its relationships with the environment. Our results will improve the understanding of microbial mechanisms of nitrification in the citrus ecosystem and provide theoretical support for greenhouse gas emission reduction, increasing nitrogen utilization, and improving the ecological environment of the Three Gorges Reservoir Area.

柑橘种植是三峡库区典型的还林方式，但是由于长期集约化经营，引起土壤退化、面源污染等一系列问题。大量肥料的投入为硝化微生物提供充足底物，促进土壤发生硝化作用，造成温室气体排放增加，氮肥利用率下降等。但是目前关于柑橘种植对土壤硝化活性和相关微生物群落和功能的影响尚不明确。本研究通过野外试验和室内微宇宙培养试验，利用15N同位素标记技术研究土壤硝化活性，综合13CO2稳定性同位素核酸探针技术、荧光定量PCR和高通量测序等分子生物学技术，分析柑橘种植年限对氨氧化细菌、氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化细菌和全程氨氧化菌的群落结构、数量和生态功能影响，阐明柑橘种植模式下土壤硝化微生物群落结构的演替规律以及与环境的关系。研究结果将明确柑橘生态系统中驱动硝化作用的微生物机制，为温室气体减排、提高氮素利用率和改善三峡库区生态环境提供理论依据。

土壤硝化过程是陆地生态系统氮（N）素循环的重要过程之一。传统两步硝化微生物氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）以及新发现的完全氨氧化菌comammox Nitrospira是硝化过程的主要参与者。柑橘是世界上重要的水果之一，我国柑橘的产量和种植面积位于世界之首。但是在集约化种植的柑橘生态系统中，硝化微生物对硝化作用的相对贡献还不清楚。因此，本研究以湖北省秭归县的不同种植年限柑橘园土壤（5Y、10Y、20Y和30Y）为研究对象，以自然林地（NF）为对照，通过荧光定量PCR和高通量测序等技术手段研究柑橘园土壤的主要硝化微生物及其群落结构的变化以及驱动变化的环境因子；利用稳定性同位素核酸探针技术（DNA-SIP）深入研究驱动硝化过程的活性硝化微生物。结果表明：1）随着柑橘种植年限的增加，土壤酸化加剧，但是土壤N、P养分有明显的累积，且长期柑橘种植显著降低土壤硝化速率。2）柑橘园土壤comammox Nitrospira amoA丰度和AOA、AOB 丰度一样高，说明comammox Nitrospira可能在硝化过程中起重要作用。不同种植年限的柑橘园土壤硝化微生物群落显著不同，属于54d9和Nitrososphaera的AOA和属于Nitrobacter和Nitrospira的NOB分别是新果园和老果园土壤的主要AOA和NOB群落。3）DNA-SIP结果表明属于group 1.1b的AOA和Nitrosospira的AOB共同催化完成NF、5Y和10Y土壤中的氨氧化过程。在20年土壤中，属于Nitrosospira的AOB和comammox Nitrospira主导氨氧化过程，但是在30年土壤中，只有comammox Nitrospira clade A是活性氨氧化菌。属于Nitrospira和Nitrobacter的NOB分别主导NF、20Y、30Y和5Y、10Y土壤的亚硝酸盐氧化过程。4）土壤pH和P浓度是影响硝化微生物群落演替的主要环境因子。本研究为深入理解果园土壤微生物驱动的硝化过程，为提高土壤氮素利用率、温室气体减排和改善三峡库区生态环境提供理论依据。