茶園長(zhǎng)期施肥影響土壤氮素循環(huán)研究取得新進(jìn)展
施用氮肥是生產(chǎn)上提高茶葉產(chǎn)量與改善品質(zhì)的重要措施，但過(guò)量施氮不僅造成肥料浪費(fèi)，還會(huì)加劇土壤酸化。硝化和反硝化作用是驅(qū)動(dòng)土壤氮循環(huán)的核心生物化學(xué)過(guò)程，未被茶樹(shù)吸收利用的氮素在硝化-反硝化作用下以硝酸鹽、N2O、N2形態(tài)經(jīng)徑流、淋溶、氣體排放等多種途徑進(jìn)入水體或大氣環(huán)境，容易引發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化、氣候變暖等生態(tài)問(wèn)題（圖1）。長(zhǎng)期以來(lái)，經(jīng)典土壤學(xué)理論多基于偏中性的溫帶土壤研究，而對(duì)在我國(guó)亞熱帶地區(qū)廣泛分布的酸性茶園土壤中的硝化-反硝化過(guò)程的理解并不清晰。
為了明確茶園土壤氮素循環(huán)如何響應(yīng)長(zhǎng)期施肥的機(jī)制，茶樹(shù)營(yíng)養(yǎng)與養(yǎng)分管理創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在野外長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)化學(xué)抑制，結(jié)合熒光定量PCR和土壤宏基因組等技術(shù)，研究了茶園土壤硝化-反硝化作用及其關(guān)聯(lián)微生物群落對(duì)長(zhǎng)期不同施氮水平的響應(yīng)特征，并從微觀角度對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行解析。研究結(jié)果證實(shí)強(qiáng)酸性的茶園土壤可以保持較強(qiáng)的硝化強(qiáng)度，增加氮肥用量能顯著增強(qiáng)土壤硝化潛勢(shì)（圖2）。此外，通過(guò)測(cè)定控制土壤硝化作用快慢的“氨氧化”步驟的兩個(gè)關(guān)鍵微生物，氨氧化古菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）的相對(duì)貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)隨著氮肥用量增加，氨氧化步驟逐漸從AOA驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變到AOB驅(qū)動(dòng)，即外源氮素（氮肥）會(huì)刺激AOB驅(qū)動(dòng)的氨氧化過(guò)程（圖2）。長(zhǎng)期施氮顯著增強(qiáng)了反硝化活性，茶園土壤反硝化作用潛勢(shì)與氮肥用量顯著正相關(guān)（圖3A）。參與土壤反硝化過(guò)程的相關(guān)功能基因（narG、nirK、norB和nosZ）的豐度（圖3B），及關(guān)聯(lián)微生物群落的種群豐度（圖4）也隨著氮肥用量增加得到顯著升高。
上述研究揭示出長(zhǎng)期施氮條件下硝化反硝化作用底物供應(yīng)的增強(qiáng)，誘導(dǎo)并正向調(diào)控關(guān)聯(lián)微生物群落及相關(guān)功能基因表達(dá)，是讓茶園土壤在酸化條件下繼續(xù)保持氮素快速周轉(zhuǎn)能力的重要機(jī)制。因此，對(duì)茶園土壤中的活性氮損失過(guò)程，如硝態(tài)氮淋溶、氧化亞氮（N2O）排放仍然需要保持高度關(guān)注。
研究結(jié)果先后發(fā)表在Environmental Research 和Science of the Total Environment上，我所楊向德博士為第一作者，馬立鋒和阮建云研究員為通訊作者。該研究得到了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程、國(guó)家茶產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項(xiàng)目的資助。
圖1 土壤氮循環(huán)主要過(guò)程
圖2 總硝化、自養(yǎng)硝化、OA和AOB驅(qū)動(dòng)硝化速率對(duì)氮肥用量的響應(yīng)特征及相對(duì)貢獻(xiàn)
圖3 施氮水平對(duì)土壤反硝化潛勢(shì)（A）及相應(yīng)功能基因（B）豐度的影響
圖4 施氮水平對(duì)土壤反硝化關(guān)聯(lián)微生物群落組成及豐度的影響
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