长期秸秆还田对华北潮土氮素生物转化的影响及其机理

Straw incorporation plays important roles in increasing of soil fertility and crop yield. Clarifying the mechanisms of nutrients transformation under straw incorporation is the premise to scientifically utilize straw resource. Long-term fertilizer experiment can fully reflect the influences on physical, chemical and biological changes of soil by nutrient management strategies in field. The project will be conducted to investigate the effects of long-term straw incorporation on soil nitrogen pool, the activities of soil enzymes, microbial quantity and population dynamics,microbial community structure and genetic diversity, based on a 31-years long-term straw incorporation experiment in winter wheat-summer maize rotation system in fluvo-aquic soil in North-Central China, using the technologies of soil enzymology and molecular ecology,to reveal the effects and the mechanisms of long-term straw incorporation on nitrogen biotransformation in soil. The results will be significant to scientifically utilize crop straw, enhance fertilizer use efficiency and achieve sustainable agriculture production.

秸秆还田对培肥增产具有重要作用。阐明秸秆还田下土壤养分转化机理是科学利用秸秆资源的前提。肥料长期定位试验能全面反映田间养分管理对土壤物理的、化学的和生物学变化的影响。本项目以华北石灰性潮土长达31年的冬小麦-夏玉米轮作体系秸秆还田定位试验为基础，利用土壤酶学和分子生态学技术，系统研究长期秸秆还田对土壤氮库变化、土壤酶活性、土壤微生物数量及生理群动态、微生物群体结构及遗传多样性的影响，深入揭示长期秸秆还田对土壤氮素生物转化的影响机理。研究结果对于秸秆资源的科学利用、节肥增效和实现农田可持续利用均具有重要实践意义。

本项目通过长期定位试验研究了长期秸秆还田对华北潮土氮库、氮转化酶活性、微生物数量和菌群动态、土壤氮转化功能微生物多样性和群体结构变化的影响，以深入揭示长期秸秆还田下土壤氮素的生物转化机制。结果表明，长期施肥提高了作物产量，且其随增施秸秆进一步提高，玉米产量随秸秆用量的增加而增加，而秸秆用量对小麦影响不显著，作物氮素吸收也表现类似变化。与试验前相比，不施肥降低、单施化肥维持了全氮含量，而高量秸秆添加提高了全氮。长期施肥增加土壤酸解总氮、酸解氨基酸态氮、酸解氨态氮和酸解未知态氮、微生物量氮和NO3-−N，且其随秸秆量的增加而增加；长期施肥增加了土壤固定态铵，高量秸秆还田降低其含量。施用化肥提高了β-葡萄糖苷酶、木糖苷酶、纤维素二糖水解酶、脲酶和几丁质酶的活性，且其随秸秆用量的增加而增加，而对氨肽基酶没有影响。施肥和低量秸秆对硝酸还原酶活性影响不显著，但高量秸秆显著增加其活性。施肥和秸秆还田改变了土壤微生物群体结构，主要提高了总PLFA、Gm– 细菌和真菌丰度。施肥提高了土壤氨氧化细菌amoA基因和反硝化细菌narG、nirK、nirS、nif和nosZ的丰度。秸秆用量对amoA和nirK丰度无影响，而高量秸秆提高了narG和nirS丰度，降低了nif和nosZ的丰度。高通量测序表明施肥和秸秆还田提高了土壤氮转化微生物的多样性，改变了其群体结构。施肥提高了氨氧化细菌AOB中Bacteria-unclassified 丰度，高量秸秆提高了亚硝化螺菌（Nitrosospira）丰度。施肥增加了nirK基因根瘤菌属（Rhizobiaceae）丰度。施肥提高了nirS基因产黄杆菌（Rhodanobacter）和变形菌（Proteobacteria）的丰度，且随随秸秆用量的增加而增加，施肥提高了拟杆菌（Betaprot-eobacteria）的丰度，而秸秆用量对其影响不显著。RDA分析显示不施肥处理amoA和nirK、nirS菌群组成主要受pH值影响，其它处理群落变化主要受SOC、NO3-−N和TN 影响。