长期施用含氯化肥棕壤氨氧化微生物的变化特征及影响因子

Nitrification in agriculture is a potential pathway for the loss of nitrogen and the pollution of groundwater and atmospheric environments. It is known that soil ammonia oxidation driven by ammonia-oxidizing microorganisms acts as the first and rate-lmiting step for the process of nitrification. Consequently, the ammonia-oxidizing microorganisms play an important role in soil N-cycling. Fertilization can change the diversity of ammonia-oxidizing microorganisms, effect on brown soil ammonia oxidation under long-term different fertilization especially using of Cl-fertilizer is not clear. Based on the long-term Cl-fertilizer trial(began in 1984), this study aims to clarify the influence of long-term fertilization on community structure and abundance of ammonia-oxidizing microorganisms using denatured gradient gel electrophoresis(DGGE) and real-time PCR. In order to find main factors that affect the activity and community composition of ammonia-oxidizing microorganisms in brown soil, the relationship between ammonia-oxidizing potential and soil environmental factors (such as pH, concentration of ammonium, chloride ions) and ammonia-oxidizing microorganisms will be analyzed. In theory, the results can enrich and deepen our knowledge on ammonia oxidizing microbes in soil and ammonia-oxidation process. In practice, it can provide scientific evidence for directionally regulating nitrogen transformation processes in brown soil, improving nitrogen utilization efficiency and reducing its negative effects to ensure the sustainable development of agriculture and environment.

农业中硝化作用是氮素损失及造成地下水和大气污染的一个潜在途径。由氨氧化微生物驱动的氨氧化是硝化作用的第一个反应步骤，也是限速步骤，因此，氨氧化微生物在土壤氮循环中起着重要作用。施肥能够改变氨氧化微生物的多样性，长期不同施肥特别是长期施用含氯化肥对棕壤氨氧化微生物的影响并不明确。因此本项目拟以沈阳农业大学棕壤含氯肥料长期定位试验（始于1984）为平台，通过现代分子生物方法变性梯度凝胶电泳（DGGE）和荧光定量PCR技术（qPCR）来研究长期施肥对氨氧化微生物群落结构及丰度的影响；并进一步分析其与氨氧化潜势及氯离子、pH值、铵浓度等土壤环境因子之间的相关性，进而揭示影响棕壤氨氧化微生物群落结构的关键因子。研究结果理论上能丰富并加深对土壤氨氧化微生物及氨氧化过程的认识，实践中可为定向调控土壤氮素转化过程，提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据，以确保农业和环境的可持续发展。

由氨氧化微生物驱动的氨氧化是硝化作用的第一个反应步骤，也是限速步骤，因此，氨氧化微生物在土壤氮循环中起着重要作用。施肥能够改变氨氧化微生物的多样性，长期不同施肥特别是长期施用含氯化肥对棕壤氨氧化微生物的影响并不明确。因此本研究以棕壤含氯肥料长期定位试验（始于1984）为平台，通过荧光定量PCR技术（qPCR）和高通量测序技术研究了经过34年不同施肥，氨氧化微生物丰度和群落结构的变化及其影响因子。本研究共8个不同施肥处理：T1（不施肥）；T2（单施尿素）；T3（尿素+氯化钾）；T4（尿素+过磷酸钙）；T5（尿素+过磷酸钙+氯化钾）；T6（尿素+磷酸一铵+氯化钾）；T7（尿素+氯磷铵+氯化钾）；T8（硝酸磷肥+过磷酸钙+氯化钾），T7为高氯处理。研究结果表明，在棕壤上AOA丰度显著高于AOB丰度，AOA数量占优势，最低的AOA和AOB丰度均出现在高氯处理。除了施用硝态氮肥的处理外，含有NP肥的处理AOB群落结构与其他处理不同；与其他处理相比，施高氯的处理有不同的AOA群落结构，并且多样性降低。更高的硝化潜势出现在含有NP肥的处理中，最低的硝化潜势和pH均出现在高氯处理中。总之N、P的有效性会影响土壤AOB的群落结构和土壤氨氧化的活性；而pH可能是决定AOA丰度，群落结构和活性的重要因素。同时通过短期土壤培养试验研究了不同Cl-浓度对土壤硝化潜势和AOA、AOB丰度的影响，研究结果表明，随着Cl-浓度的升高，抑制了AOA和AOB的丰度，硝化潜势总体上也表现出随着Cl-浓度的升高而降低的趋势。研究结果可为合理施用含氯化肥来调节AOA和AOB，进而调控土壤氮素循环提供参考依据。