长期轮作施肥对棕壤氨氧化微生物及其氮素转化的影响

Microorganisms are very important in soil N-cycling.Ammonia-oxidizing process is the key part of N-cycling and it's driven by ammonia-oxidizing microorganisms. The common agricultural practice,i.e.,fertilization, rotation et al. can affect soil microorganisms, and then affect N-transformation of soil and N-absorption of crop. Base on long-term fertilization trial in brown soil and rotation system of maize-soybean,the objectives of this study are to analysis community structure and abundance of ammonia-oxidizing microorganisms by using PCR-DGGE,TA cloning and QPCR; to clear transformational mechanism of soil-N and fertilizer-N, to clarify the relationship of ammonia-oxidizing microorganisms and dynamic changes of soil-N by using 15N-isotope potted plant trail; and then provide theory for adjustment of ammonia-oxidizing microorganisms, improvement of N-fertilizer, development of nitrification inhibitor and reasonable application of nitrogen fertilizer by combining with analysis of interaction of ammonia-oxidizing microorganism and soil nutrition, pH, water content.

微生物在土壤氮循环过程中起到举足轻重的作用，而由氨氧化微生物所驱动的氨氧化过程是氮循环的中心环节。常见的农业活动如施肥、轮作等都会对土壤微生物产生影响，从而影响氮素转化与作物吸收。本研究在玉米-玉米-大豆轮作体系下和棕壤肥料长期定位施肥试验基础上，利用PCR-DGGE（变性梯度凝胶电泳）技术、TA克隆测序技术及实时荧光定量PCR对不同施肥处理的氨氧化微生物群落结构及丰度进行分析，利用15N同位素示踪技术，通过盆栽试验，探明土壤氮素和肥料氮素的转化机制及氨氧化微生物与土壤氮素动态变化之间的关系，结合土壤理化性质，研究不同施肥处理和肥力水平下氨氧化微生物群系以及其与养分、pH、水分的交互作用，为氨氧化微生物的调控和提高氮肥肥效提供科学依据，也为研究开发硝化抑制剂和合理施用氮肥提供理论依据。

氨氧化是氮转化过程的限速步骤，其由氨氧化微生物所驱动。然而不同土地利用方式、作物种类、施肥方式均会对土壤氨氧化微生物群落多样性和丰度产生显著影响。本项目采用PCR-DGGE技术、荧光定量PCR技术以及高通量测序技术测定长期轮作施肥棕壤中氨氧化微生物的群落结构及丰度，并且同时测定常规理化性质指标如铵硝态氮、可溶性有机碳等指标，从不同方面分析氨氧化微生物随不同施肥处理、作物不同生育时期的变化及其影响因素。主要研究结果如下：（1）施用有机肥及平衡施肥有利于提高土壤地力。（2）不同施肥处理氨氧化微生物群落和丰度差异显著，长期施用有机肥能显著提高土壤氨氧化微生物的数量，有利于维持土壤氨氧化微生物群落的稳定性。（3）各施肥处理土壤中氨氧化古菌（AOA）的丰度随作物生育时期的变化规律基本一致，在整个生育时期呈现逐渐增长的趋势；而玉米生育时期内各施肥处理的氨氧化细菌的变化规律不一致，有机肥处理氨氧化细菌（AOB）的数量先增加后减少，最后达到平稳的状态；不施肥和单施化肥处理前三个时期基本保持平稳，抽雄期和收获期未检测到氨氧化细菌的amoA基因。（4）冗余分析结果表明，长期轮作施肥条件下，长期施肥土壤理化性质对棕壤氨氧化微生物丰度的影响因子主要有土壤pH值、碱解氮、速效磷、速效钾、有机质和全氮，且呈显著正相关关系。影响玉米生育期内氨氧化细菌丰度的环境因素为土壤pH值、碱解氮、土壤有机质、硝态氮、可溶性有机碳、全氮，而氨氧化古菌丰度玉米生育期内的影响因子主要有土壤pH值、土壤含水量、土壤有机质。综上所述，长期轮作施肥显著改变了棕壤的化学性质，从而对氨氧化微生物的丰度产生了显著影响。长期施用有机肥显著提高了土壤养分含量及 AOB 和 AOA的丰度，对维持土壤氨氧化微生物的数量起到十分重要的作用；探明了影响氨氧化微生物丰度的主要环境因子，为调控土壤氨氧化微生物数量及其在氮素转化中的作用提供了科学依据。