鉬調(diào)控黃棕壤氮素轉(zhuǎn)化及其微生物機(jī)制研究.pdf

1、鉬是植物、動物和微生物生長所必需的微量營養(yǎng)元素，已有研究多關(guān)注于鉬促進(jìn)植物對氮素的吸收同化、增加土壤固氮能力等方面，有關(guān)鉬對土壤氮循環(huán)的調(diào)控機(jī)制，尤其是對硝化作用、反硝化作用、氧化亞氮(N2O)排放等氮素轉(zhuǎn)化關(guān)鍵過程的影響研究并不多見。因此，本研究采用長期定位田間小區(qū)、根箱、室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，結(jié)合高通量測序、qPCR等分子技術(shù)，分析土壤鉬豐缺對氮素轉(zhuǎn)化關(guān)鍵過程的調(diào)控作用，并探討作物根系、土壤pH、季節(jié)變化對調(diào)控過程的影響，以闡明鉬調(diào)控土壤氮

2、素轉(zhuǎn)化的微生物機(jī)制。獲得的主要結(jié)論如下:
　　1.長期定位田間小區(qū)試驗(yàn)中，經(jīng)過7年連續(xù)試驗(yàn)，長期施鉬將土壤有效鉬含量從0.16mg/kg顯著提高至0.98mg/kg，長期施鉬處理蔬菜累積產(chǎn)量、蔬菜氮素?cái)y出量和肥料氮利用率分別增加11.56％、18.41％和8.18％，土壤硝態(tài)氮(NO3--N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、微生物量氮(MBN)和全氮含量分別減少13.53％、29.48％、40.37％、和11.88％。因此，長期施鉬通過

3、提高作物產(chǎn)量和氮素?cái)y出量以降低土壤氮組分含量，通過降低土壤硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(Nir)活性和反應(yīng)底物濃度削弱硝化和反硝化作用以減少氮素氣態(tài)損失，以此促進(jìn)植物氮利用和調(diào)控土壤氮轉(zhuǎn)化，減少土壤氮尤其是活性氮富集，進(jìn)而降低氮損失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
　　2.長期定位試驗(yàn)田土壤微生物物種豐富，細(xì)菌主要包括14個門，變形菌、酸桿菌、放線菌和綠彎菌為優(yōu)勢種群，真菌主要包括7個門，子囊菌和擔(dān)子菌是優(yōu)勢種群。長期施鉬增加土壤細(xì)菌16S rR

4、NA數(shù)量，在早春顯著誘導(dǎo)nirK、在初夏顯著誘導(dǎo)nosZ基因數(shù)量增加;長期施鉬減少土壤細(xì)菌和真菌特有OTU的數(shù)量，降低土壤微生物的特異性。在細(xì)菌水平，缺鉬誘導(dǎo)疣微菌門出現(xiàn)，顯著增加OTU750豐度;在真菌水平，施鉬顯著降低變形蟲門Gracilipodida和OTU40豐度。季節(jié)變化對細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性和功能基因豐度的影響更為明顯:早春誘導(dǎo)細(xì)菌和真菌特有OTU的出現(xiàn)，增加土壤微生物的特異性，AOA基因數(shù)量較高;初夏時(shí)細(xì)菌16SrR

5、NA數(shù)量、AOB和反硝化基因數(shù)量較高。細(xì)菌水平上，早春誘導(dǎo)疣微菌門出現(xiàn);初夏顯著增加OTU1134和OTU1617豐度。真菌水平上，早春顯著增加OTU168和OTU184豐度;初夏顯著增加接合菌門、OTU153、OTU197豐度。
　　3.根箱試驗(yàn)中，根區(qū)、非根區(qū)土壤氮素轉(zhuǎn)化是兩個不同的系統(tǒng)。在根區(qū)土壤中，土壤pH值隨施鉬水平增加而升高;土壤NO3--N含量在0.15和0.3mg/kg施鉬水平時(shí)顯著增加、在1mg/kg施鉬水平時(shí)顯

6、著降低;過氧化氫酶活性顯著降低;PDA為負(fù)且隨施鉬水平增加顯著降低;narG和nosZ基因數(shù)量顯著增加。在非根區(qū)土壤中，隨施鉬水平的增加，土壤NO3--N含量和NR活性顯著降低;narG基因數(shù)量顯著增加。土壤pH值、NO3--N含量、過氧化氫酶活性、表觀硝化速率(ANR)和nosZ基因數(shù)量在根區(qū)顯著高于非根區(qū);相反，土壤NH4+-N含量、全氮含量、Nir活性、PDA、AOB、nirK和nirS基因數(shù)量在根區(qū)顯著低于非根區(qū)土壤。因此，鉬在

7、冬小麥根-土氮素轉(zhuǎn)化過程中起的主要作用是，適當(dāng)?shù)氖┿f水平（0.3mg/kg）能促進(jìn)NO3--N和MBN由非根區(qū)向根區(qū)土壤轉(zhuǎn)移，增加作物生物量和氮攜出量，同時(shí)削弱根區(qū)和非根區(qū)土壤反硝化潛勢。
　　4.培養(yǎng)試驗(yàn)中，在pH5.3的酸性土壤中，1mg/kg施鉬水平顯著增加土壤N2O釋放速率且在培養(yǎng)的24h之后顯著抑制AOA、AOB、narG、nosZ、nirK和nirS基因數(shù)量;施鉬在培養(yǎng)的48h之前顯著減少、在72h顯著增加土壤NH4+

8、-N含量。在pH7.5的堿性土壤中，土壤N2O總排放高于酸性土壤且在24h出現(xiàn)排放峰，除24h外，施鉬在其他時(shí)間點(diǎn)均抑制N2O釋放速率;施鉬水平為0.3mg/kg時(shí)土壤NH4+-N含量在6h和12h顯著增加;施鉬水平為1mg/kg時(shí)土壤NO3--N含量在6h時(shí)顯著降低、在48h時(shí)顯著增加，土壤NH4+-N含量在12h和72h顯著增加、在48h顯著降低;兩個鉬水平在不同培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)對功能基因數(shù)量的影響不同。
　　以上研究結(jié)果表明，缺鉬

9、導(dǎo)致土壤氮富集和環(huán)境氮排放的主要過程是:作物生物量低，氮素?cái)y出少，土壤氮組分尤其是活性氮含量高，硝化作用和反硝化作用活躍。施用鉬肥通過增加作物生物量、促進(jìn)NO3--N和MBN從非根際土壤向根際土壤轉(zhuǎn)移、增加作物氮素?cái)y出降低土壤NH4+-N、NO3--N、MBN和全氮含量，減少土壤氮素殘余;通過抑制氨氧化微生物數(shù)量削弱硝化作用;通過降低底物濃度和調(diào)控反硝化微生物數(shù)量在酸性土壤中削弱反硝化作用。因此，在缺鉬土壤中，施用鉬肥對于提高氮肥利用效