秸秆添加量对土壤生物固氮速率和固氮菌群落特征的影响

• 作者: 李旭 董炜灵 宋阿琳 李艳玲 卢玉秋 王恩召 刘雄舵 王萌 范分良
• 来源期刊: 中国农业科学
• 关键词: 固氮微生物 秸秆还田 固氮速率 15N2定量 nifH
• 年，卷（期）: 2021,（5）
• 所属期刊栏目: 土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境|SOIL & FERTILIZER-WATER-SAVING IRRIGATION-AGROECOLOGY & ENVIRONMENT
• 页码范围: 980-991
• 页数: 12页
• 语种: 中文
• DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.05.010

摘要

[目的]研究不同秸秆添加量对土壤固氮速率及固氮菌群落结构的影响,为我国秸秆还田及化肥减施增效提供支持.[方法]采用室内培养试验,除对照(C0:0)外共设5个秸秆添加梯度(C1:0.2 mg·g-1;C2:1.0 mg·g-1;C3:2.0 mg·g-1;C4:4.0 mg·g-1;C5:10.0 mg·g-1),采用15N2标记的方法,在黑暗条件下培养28 d后收集土壤样品,进而对生物固氮速率进行定量,利用Illumina PE250高通量测序和荧光定量PCR技术分析固氮功能基因nifH的丰度及群落特征.[结果]随着秸秆添加量的增加,土壤硝态氮含量显著下降,铵态氮含量无显著变化,土壤pH有下降趋势.同时,生物固氮速率显著增加,C3、C4及C5处理在培养期间(28 d)潜在固氮速率为87-96 kg N·hm-2.a-1,相比于对照提高了38.1％-52.4％.各处理固氮微生物nifH基因拷贝数变化范围为5.48 × 107-9.20 ×107 copies/(g soi1),其中,相比于C0,C4及C5处理固氮微生物nifH基因拷贝数均显著提高(P＜ 0.05).随着秸秆添加量的增加,C4、C5水平的香农-威尔指数显著低于其他4个处理(P＜ 0.05),其他4个处理多样性无显著差异.主成分分析(PCoA)结果显示土壤固氮微生物群落结构主要因秸秆添加量差异而聚集为不同组别.固氮微生物在门水平上分为变形杆菌(Proteobacteria),蓝细菌(Cyanobacteria),厚壁菌(Firmicutes)和放线菌(Actinobacteria)和螺旋体菌(Spirochaetes).随着秸秆添加量的增加,蓝细菌相对丰度有先增加再降低的趋势;在属水平上,不同优势菌属对秸秆添加量的响应存在明显差异,慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)为数量最丰富菌属,随着秸秆添加量的增加,C5相较于C0、C1、C2、C3水平相对丰度差异显著(P＜0.05),显著增加了12.07％-14.13％.与生物固氮速率呈正相关的贺氏伪枝藻属(Scytonema hofmanni)随着秸秆添加量的增加其相对丰度逐渐增加,但当秸秆添加量达C5水平其相对丰度反而降低(P＜ 0.05).同时,最小偏二乘路径分析(PLS-PM),冗余分析(RDA)及相关性分析表明生物固氮速率和土壤固氮微生物群落受秸秆添加量和NO3--N含量影响较大.[结论]土壤生物固氮速率随着秸秆添加量的增加而增加,秸秆对固氮的促进作用主要源于秸秆添加降低了土壤N03-N含量,进而促进慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)、贺氏伪枝藻属(Scytonema hofmanni)和固氮螺菌属(Azospirillum)等固氮菌属微生物的生长.根据本试验结果计算,相比于不添加秸秆,添加秸秆4.0mg·g-1后,土壤生物固氮速率约增加26 kg N·hm-2·a1,可显著降低我国氮肥需求.