油茶林地氮转化及相关微生物对不同形态氮的响应规律研究

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油茶(Camellia oleifera Abel.)是我国重要的木本油料树种,合理的养分管理是油茶产业持续健康发展的基础,其中氮肥施用是保障油茶丰产稳产的主要措施之一。为避免因不合理施肥造成资源浪费和环境污染,了解不同形态氮肥在油茶林地土壤中的转化吸收过程及其微生物驱动机制是实现这一目标的前提。为此,本研究以油茶主栽品种‘华金’的成年人工林和盆栽苗为研究对象,利用同位素示踪和高通量测序等技术手段,开展了油茶根系氮吸收效率、根外和根际土壤氮转化过程以及土壤微生物群落对氨基酸态氮、铵态氮和硝态氮等不同形态氮的响应规律研究。主要研究结果如下:(1)油茶根系氮吸收对不同形态氮肥的响应利用同位素示踪技术研究‘华金油茶’盆栽扦插苗根系对不同形态氮肥的吸收效率,结果发现:秋季施用氯化铵10 d后,油茶根系中15N丰度(δ15N)及其所含氮中来自肥料氮的质量百分比(Nitrogen derived from fertilizer,Ndff%)分别为2804‰和10.47%,显著高于其他季节。夏季施用硝酸钾10 d后,根系δ15N和Ndff‰分别为2118‰和7.90%,显著高于其他季节。夏季和秋季施用甘氨酸10 d后,根系δ15N分别为1669‰和3251‰,Ndff%分别为6.22%和12.13%,均显著高于春季和冬季;根系直接吸收的甘氨酸分子量分别占Ndff%的3.35%和27.8%。春、夏、秋、冬4季施用甘氨酸 10 d 后,根系中 13C 丰度(δ13C)分别为-28.42‰、-27.31‰、-11.03‰和-28.12‰。夏季和冬季施用甘氨酸10 d后,土壤δ13C显著高于空白处理。该研究表明,油茶根系氮偏好性及吸收效率有季节差异,夏季偏好吸收硝态氮,秋季偏好吸收铵态氮,夏秋季氮吸收效率高。油茶根系仅能吸收少量氨基酸分子。(2)油茶林地土壤氮转化过程对不同形态氮肥的响应根据(1)的研究结果,通过原位培养和盆栽试验进一步研究了油茶林地土壤氮转化过程。结果发现:油茶根外土壤年均净氨化速率为0.13 mg·kg-1·d-1,夏季最高,达0.75 mg·kg-1·d-1;年均净硝化速率为-0.01 mg·kg-1·d-1,无季节差异。根际土壤年均净氨化和硝化速率分别为-0.12mg·kg-1·d-1和0.20mg·kg-1·d-1,均在秋季最高,分别为0.12mg·kg-1·d-1和1.39 mg·kg-1·d-1;冬季最低,分别为-0.39 mg.kg-1·d-1 和-0.54mg·kg-1·d-1。施肥后根外土壤碱解氮含量随时间推移呈上升趋势,根际土壤中呈下降趋势。夏季施用甘氨酸可显著增加根外和根际土壤净矿化速率,分别达18.66 mg·kg-1·d-1和1.25 mg.kg-1.d-1。施用氯化铵,可增加秋季和冬季根外土壤净氨化速率,分别为34.39 mg·kg-1·d-1和11.02 mg·kg-1·d-1:降低春季和冬季根际净氨化速率,分别为-1.38 mg·kg-1·d-1和-3.21 mg·kg-1·d-1。硝态氮肥可显著改变油茶林地土壤硝化过程,夏季根外土壤净硝化速率显著降低,为-6.18 mg·kg-1·d-1;秋季和冬季根外土壤净硝化速率显著增加,分别为6.80mg·kg-1·d-1和2.63 mg·kg-1·d-1,根际土壤中却显著降低,分别为-3.45 mg·kg-1·d-1 和-3.54 mg·kg-1·d-1。(3)油茶林地土壤微生物对不同形态氮肥的响应通过高通量测序技术和生物信息学分析,结合土壤酶活性,研究施用不同形态氮后油茶林地微生物群落动态。结果发现:油茶林地有绿弯菌门(Chloroflexi)和变形菌门(Proteobacteria)等6个优势细菌门,子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)2个优势真菌门。春季油茶根外土壤酸性蛋白酶和硝酸还原酶活性分别为1330 U.g-1和0.861 U.g-1,土壤细菌和真菌Chao 1丰富度指数分别为2863和583,均高于其他季节。夏季根际细菌Chao 1指数和Shannon多样性指数最低,分别为1967和8.43。油茶根外土壤反硝化真菌和根际硝化/反硝化细菌丰度在秋季最高。冬季,油茶林地土壤微生物呼吸代谢功能丰度和真菌丰富度均低于其他季节。春季施用氨基酸态氮可显著增加根外土壤脱氨酶活性,显著增加ABC转运器丰度及氨化、硝化、反硝化和固氮细菌丰度;降低根际革兰氏阴性菌和氨化、氨氧化细菌丰度。夏季施肥可显著降低根外土壤细菌丰富度,增加同化硝酸还原微生物丰度;施用无机氮可增加根际细菌丰富度和多样性以及厌氧氨氧化微生物丰度。秋季施用铵态氮和氨基酸态氮,可显著降低根际异化硝酸还原真菌、NO还原真菌和厌氧氨氧化细菌丰度;施用硝态氮可增加根际硝化/反硝化细菌丰度。冬季施肥对土壤氮转化相关微生物丰度影响不显著。以上结果表明,氮肥对油茶根系氮吸收、林地土壤氮转化过程的影响有季节性。春季适宜的温湿度利于微生物活动与繁殖,土壤氮矿化、周转和置换率高,施用氨基酸态氮和铵态氮可促进这些过程,增加油茶可利用的有效氮含量。油茶根系氮肥吸收效率在夏季较高,氨基酸态氮可促进林地土壤氮矿化;无机氮肥会促进根外土壤微生物同化作用及根际微生物厌氧氨氧化作用,降低氮肥效益。秋季施用铵态氮和氨基酸氮肥契合油茶根系对铵态氮的偏好性,促进土壤有机质分解,抑制硝化/反硝化过程,提高施肥的效应。冬季油茶林地土壤微生物同化作用更强,施肥对氮转化过程影响不显著。春季和秋季施用铵态氮或氨基酸态氮,油茶氮吸收效率最高。本研究为揭示油茶根系氮吸收、土壤氮转化及其调控机理、制定合理的氮肥施用方案提供了一定的科学依据。
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