中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (10): 1958-1968.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.10.008
张旸1,2(), 高燕1,2, 张延1,2, 黄丹丹1, 陈学文1,2, 张士秀1,2, 梁爱珍1,2(
)
收稿日期:
2024-08-07
接受日期:
2024-09-19
出版日期:
2025-05-21
发布日期:
2025-05-21
通信作者:
联系方式:
张旸,E-mail:zhangyang@iga.ac.cn。
基金资助:
ZHANG Yang1,2(), GAO Yan1,2, ZHANG Yan1,2, HUANG DanDan1, CHEN XueWen1,2, ZHANG ShiXiu1,2, LIANG AiZhen1,2(
)
Received:
2024-08-07
Accepted:
2024-09-19
Published:
2025-05-21
Online:
2025-05-21
摘要:
【目的】探究秸秆不同还田方式对东北黑土氮组分、氮矿化及氮循环功能基因丰度的影响,明晰长期秸秆还田下土壤氮素供应能力及土壤氮循环基因群落结构的变化。【方法】基于东北黑土区秸秆还田长期定位试验,选取玉米连作下的秸秆混合还田(RI)和秸秆覆盖还田(RC)为研究对象,以秸秆移除为对照(CK)。测定土壤氮组分含量,采用间歇淋洗好气培养法对土壤进行氮素矿化培养,采用荧光定量PCR(qPCR)测定土壤中氮循环基因拷贝数。【结果】试验8年后,与CK相比,RC处理提高了土壤表层(0—5 cm)颗粒有机氮(PON)和矿物结合态有机氮(MAON)的含量,分别增加了0.21和0.27 g·kg-1,而RI处理仅使土壤中MAON含量提高了0.13 g·kg-1(P<0.05)。秸秆还田(RI和RC)土壤中微生物量氮(MBN)含量显著增加了1.4—2.8倍(P<0.05),RI处理具有较高的铵态氮(NH4+)和可溶性有机氮(DON)含量,RC处理的硝态氮(NO3-)含量最低。与CK相比,秸秆还田土壤氮矿化量显著提升25.3%—83.2%(P<0.05),各处理土壤氮矿化量由大到小排序为:RC、RI、CK。采用一级反应动力学模型对土壤氮矿化过程进行拟合发现,秸秆还田显著提高了土壤氮矿化势(N0)和矿化速率常数(k)(P<0.05),且以RC处理为最高,N0和 k分别达到了199.8 mg·kg-1和0.31 mg·kg-1·d-1。随机森林分析表明,PON、MBN和NO3- 3个氮组分对N0影响较大。此外,与秸秆移除相比,秸秆还田的nifH、AOB和nirS基因丰度均显著升高,而秸秆还田的AOA和nirK基因丰度则均显著下降(P<0.05),表明秸秆还田改变了土壤氮循环功能基因群落结构。冗余分析(RDA)发现,秸秆不同还田方式土壤氮循环基因群落结构变化受到土壤中不同氮组分的影响。【结论】长期秸秆覆盖还田土壤有机氮含量和氮素矿化潜力最高,有利于土壤氮库提升及保证作物生长过程中氮素供应,可为东北黑土区农田化学氮肥减施提供更大可能。
张旸, 高燕, 张延, 黄丹丹, 陈学文, 张士秀, 梁爱珍. 秸秆还田方式对东北黑土氮素矿化和氮循环功能基因的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(10): 1958-1968.
ZHANG Yang, GAO Yan, ZHANG Yan, HUANG DanDan, CHEN XueWen, ZHANG ShiXiu, LIANG AiZhen. Effects of Residue Return Methods on Nitrogen Mineralization and N-Cycling Functional Genes in Black Soil of Northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(10): 1958-1968.
表1
土壤氮循环主要功能基因的qPCR引物序列"
基因名称 Gene appellation | 氮循环中作用 Function in N-cycling | 引物名 Primer name | 引物序列 Primer sequence (5'-3') |
---|---|---|---|
nifH | 固氮作用 N fixation | nifH-F | AAAGGYGGWATCGGYAARTCCACCAC |
nifH-R | TTGTTSGCSGCRTACATSGCCATCAT | ||
Arch-amoA | 硝化作用 Nitrification | Arch-amoAF | STAATGGTCTGGCTTAGACG |
Arch-amoAR | GCGGCCATCCATCTGTATGT | ||
AmoA | 硝化作用 Nitrification | amoA-1F | GGGGTTTCTACTGGT GGT |
amoA-2R | CCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC | ||
nirS | 反硝化作用 Denitrification | Cd3aF | GTSAACGTSAAGGARACSGG |
R3cdR | GASTTCGGRTGSGTCTTGA | ||
nirK | 反硝化作用 Denitrification | F1aCu | ATCATGGTSCTGCCGCG |
R3Cu | GCCTCGATCAGRTTGTGGTT |
表2
秸秆不同还田方式下土壤物理和化学组分氮含量"
处理 Treatment | 颗粒有机氮 PON (g·kg-1) | 矿物结合态有机氮 MAON (g·kg-1) | 铵态氮 NH4+ (mg·kg-1) | 硝态氮 NO3- (mg·kg-1) | 可溶性有机氮 DON (mg·kg-1) | 微生物量氮 MBN (mg·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|---|
CK | 0.12±0.01b | 1.61±0.02c | 3.07±0.09b | 1.55±0.15b | 3.15±0.12b | 16.39±0.91c |
RI | 0.12±0.01b | 1.75±0.03b | 5.17±0.49a | 2.55±0.24a | 5.43±0.53a | 23.09±0.46b |
RC | 0.33±0.04a | 1.88±0.04a | 2.63±0.04b | 0.75±0.07c | 2.32±0.25b | 45.69±1.77a |
表4
秸秆不同还田方式的土壤氮循环基因丰度"
处理 Treatment | nifH基因拷贝数 nifH copy number (×107 copies·g-1 soil) | AOA基因拷贝数 AOA copy number (×107 copies·g-1 soil) | AOB基因拷贝数 AOB copy number (×107 copies·g-1 soil) | nirS基因拷贝数 nirS copy number (×107 copies·g-1 soil) | nirK基因拷贝数 nirK copy number (×107 copies·g-1 soil) |
---|---|---|---|---|---|
CK | 2.24±0.19c | 10.91±0.46a | 1.83±0.16b | 1.73±0.24c | 6.83±0.43a |
RI | 3.83±0.42b | 5.32±0.31b | 2.05±0.33b | 3.45±0.35b | 1.28±0.01b |
RC | 5.07±0.37a | 3.70±0.30c | 3.09±0.31a | 5.73±0.73a | 1.76±0.05b |
表5
土壤氮组分与N0及氮循环基因丰度的相关分析"
土壤氮组分 Soil N fraction | 氮矿化势 N0 | nifH | AOA | AOB | nirS | nirK | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R | P | R | P | R | P | R | P | R | P | R | P | |
颗粒有机氮 PON | 0.90 | 0.00 | 0.77 | 0.01 | -0.56 | 0.09 | 0.64 | 0.05 | 0.88 | 0.00 | -0.36 | 0.31 |
矿物结合态有机氮 MAON | 0.81 | 0.01 | 0.78 | 0.01 | -0.80 | 0.01 | 0.59 | 0.08 | 0.86 | 0.00 | -0.71 | 0.02 |
铵态氮 NH4+ | -0.41 | 0.25 | 0.01 | 0.99 | -0.16 | 0.68 | -0.47 | 0.18 | -0.15 | 0.69 | -0.39 | 0.27 |
硝态氮 NO3- | -0.66 | 0.04 | -0.27 | 0.48 | 0.15 | 0.69 | -0.48 | 0.18 | -0.39 | 0.27 | -0.10 | 0.79 |
可溶性有机氮 DON | -0.47 | 0.18 | -0.14 | 0.70 | -0.02 | 0.96 | -0.24 | 0.53 | -0.29 | 0.44 | -0.30 | 0.42 |
微生物量氮 MBN | 0.97 | 0.00 | 0.79 | 0.01 | -0.80 | 0.01 | 0.70 | 0.02 | 0.84 | 0.00 | -0.61 | 0.07 |
[1] |
doi: 10.1007/s00267-003-0082-6 pmid: 14986895 |
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
张旸, 高燕, 张延, 黄丹丹, 陈学文, 张士秀, 梁爱珍. 秸秆还田对东北黑土碳氮磷钾化学计量特征及玉米产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2023, 29(1): 31-44.
|
|
|
[5] |
|
[6] |
doi: 10.1105/tpc.19.00748 pmid: 32169959 |
[7] |
徐翎清, 李佳佳, 常晓, 张云龙, 刘大丽. 土壤氮矿化相关机理的研究进展. 中国农学通报, 2022, 38(34): 97-101.
doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0587 |
doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0587 |
|
[8] |
doi: S0301-4797(18)30100-2 pmid: 29425914 |
[9] |
李平, 郎漫, 魏玮. 不同施氮量对林地和农田黑土净氮转化速率的影响. 土壤通报, 2020, 51(3): 694-701.
|
|
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
张玉玲, 陈温福, 虞娜, 付时丰, 张玉龙, 邹洪涛. 不同利用方式下土壤有机氮素矿化特征的研究. 土壤通报, 2013, 44(1): 52-56.
|
|
|
[15] |
doi: 10.1038/nrmicro.2018.9 pmid: 29398704 |
[16] |
|
[17] |
郭俊杰, 朱晨, 刘文波, 王建中, 凌宁, 郭世伟. 不同施肥模式对土壤氮循环功能微生物的影响. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(5): 751-759.
|
|
|
[18] |
|
[19] |
doi: 10.1111/gcb.14859 pmid: 31587451 |
[20] |
|
[21] |
闫德智, 王德建, 张刚, 查书平. 15N标记秸秆在太湖地区水稻土上的氮素矿化特征研究. 土壤学报, 2012, 49(1): 77-85.
|
|
|
[22] |
张丹, 付斌, 胡万里, 翟丽梅, 刘宏斌, 陈安强, 盖霞普, 张亦涛, 刘剑, 王洪媛. 秸秆还田提高水稻-油菜轮作土壤固氮能力及作物产量. 农业工程学报, 2017, 33(9): 133-140.
|
|
|
[23] |
|
[24] |
白云, 邓威, 李玉成, 张学胜, 吴娟, 窦月芹. 水稻秸秆预处理还田对土壤养分淋溶及COD的影响. 水土保持学报, 2020, 34(3): 238-244.
|
|
|
[25] |
庞成庆, 秦江涛, 李辉信, 刘金花. 秸秆还田和休耕对赣东北稻田土壤养分的影响. 土壤, 2013, 45(4): 604-609.
|
|
|
[26] |
王磊, 陶少强, 夏强, 朱林. 秸秆还田对土壤氮素养分及微生物量氮动态变化的影响. 土壤通报, 2012, 43(4): 810-814.
|
|
|
[27] |
张成娥, 王栓全. 作物秸秆腐解过程中土壤微生物量的研究. 水土保持学报, 2000, 14(3): 96-99.
|
|
|
[28] |
徐英德, 孙良杰, 汪景宽, 李双异, 高晓丹. 还田秸秆氮素转化及其对土壤氮素转化的影响. 江西农业大学学报, 2017, 39(5): 859-870.
|
|
|
[29] |
王永栋, 武均, 郭万里, 贺永岩, 蔡立群, 张仁陟. 秸秆和生物质炭添加对陇中黄土高原旱作农田土壤氮素矿化的影响. 水土保持学报, 2021, 35(4): 186-192, 199.
|
|
|
[30] |
马力, 杨林章, 肖和艾, 殷士学, 夏立忠, 李运东, 刘国华. 长期施肥和秸秆还田对红壤水稻土氮素分布和矿化特性的影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(4): 898-905.
|
|
|
[31] |
庞晔, 袁建钰, 闫丽娟, 杜梦寅, 李广. 保护性耕作对黄土高原旱作麦田土壤氮矿化的影响. 干旱区研究, 2023, 40(9): 1446-1456.
doi: 10.13866/j.azr.2023.09.08 |
doi: 10.13866/j.azr.2023.09.08 |
|
[32] |
|
[33] |
|
[34] |
李孝刚, 彭曙光, 靳志丽, 周羽, 刘勇军, 周志高, 王兴祥. 有机物料对植烟土壤氮素矿化及微生物性质的影响. 土壤学报, 2021, 58(1): 225-234.
|
|
|
[35] |
朱兴娟, 李桂花, 涂书新, 杨俊诚, 郭康莉, 冀拯宇, 刘晓, 张建峰, 姜慧敏. 秸秆和秸秆炭对黑土肥力及氮素矿化过程的影响. 农业环境科学学报, 2018, 37(12): 2785-2792.
|
|
|
[36] |
doi: 10.1111/gcb.15851 pmid: 34407262 |
[37] |
doi: S0048-9697(19)33267-X pmid: 31325856 |
[38] |
杨滨娟, 黄国勤, 钱海燕. 秸秆还田配施化肥对土壤温度、根际微生物及酶活性的影响. 土壤学报, 2014, 51(1): 150-157.
|
|
|
[39] |
|
[40] |
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. 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. 中国农业科学, 2021, 54(5): 980-991. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.05.010.
|
|
|
[41] |
贺纪正, 张丽梅. 土壤氮素转化的关键微生物过程及机制. 微生物学通报, 2013, 40(1): 98-108.
|
|
|
[42] |
|
[43] |
马龙, 高伟, 栾好安, 唐继伟, 李明悦, 黄绍文. 有机肥/秸秆替代化肥模式对设施菜田土壤氮循环功能基因丰度的影响. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(10): 1767-1778.
|
|
|
[44] |
|
[45] |
隋鹏祥, 廉宏利, 王峥宇, 姜英, 齐华, 罗洋, 郑金玉. 旋耕和秸秆还田方式对棕壤微生物群落特征的影响. 生态学杂志, 2023, 42(9): 2049-2060.
|
doi: 10.13292/j.1000-4890.202309.034 |
|
[46] |
doi: 10.1111/nph.14905 pmid: 29165820 |
[47] |
|
[1] | 王冰洁, 秦诗涵, 李德成, 胡文友, 姜军, 迟凤琴, 张超, 张久明, 徐英德, 汪景宽. 黑龙江省嫩江市土壤容重空间分布格局及传递函数构建[J]. 中国农业科学, 2025, 58(9): 1791-1803. |
[2] | 张昊鑫, 于晟玥, 雷秋良, 杜新忠, 张继宗, 安妙颖, 樊秉乾, 罗加法, 刘宏斌. 基于RothC模型的东北旱地和稻田土壤有机碳动态变化模拟研究[J]. 中国农业科学, 2025, 58(8): 1564-1578. |
[3] | 赵彤彤, 谷晓博, 谭川东, 延廷霖, 李晓雁, 常甜, 杜娅丹. 水氮耦合对西北旱区覆膜农田土壤有机碳、氮矿化的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(5): 929-942. |
[4] | 高尚洁, 刘杏认, 李迎春, 柳晓婉. 施用生物炭和秸秆还田对农田温室气体排放及增温潜势的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(5): 935-949. |
[5] | 孙悦, 任科宇, 邹洪琴, 高洪军, 张水清, 李德近, 李冰洁, 廖楚芊, 段英华, 徐明岗. 黑土与潮土铁氧化物结合态有机碳对长期秸秆还田的响应[J]. 中国农业科学, 2024, 57(19): 3823-3834. |
[6] | 杨立达, 彭新月, 朱文雪, 赵静, 袁晓婷, 林萍, 罗凯, 李易玲, 罗春明, 李雨泽, 杨文钰, 雍太文. 秸秆还田与灌溉方式对大豆玉米带状间作出苗及幼苗生长的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(17): 3366-3383. |
[7] | 刘雅杰, 张天娇, 张向前, 路战远, 刘战勇, 程玉臣, 武迪, 李金龙. 秸秆还田下耕作方式对黑土活性有机碳组分及碳库管理指数的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(17): 3408-3423. |
[8] | 杨文辉, 罗灏程, 董二伟, 王劲松, 王媛, 刘秋霞, 黄晓磊, 焦晓燕. 长期不同施肥和深翻对玉米高粱轮作体系作物钾利用及土壤钾形态的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(12): 2390-2403. |
[9] | 柴如山, 朱丽青, 刘梦阳, 罗来超, 张亮亮, 程启鹏, 张朝春. 山东省小麦玉米秸秆资源分布与还田减肥潜力[J]. 中国农业科学, 2024, 57(11): 2202-2214. |
[10] | 舒小伟, 王树深, 伏桐, 王子涵, 丁周宇, 杨英, 赵士茹, 周娟, 黄建晔, 姚友礼, 王余龙, 董桂春. 小麦秸秆还田后不同水稻品种对简化穗肥施用的响应及其成因[J]. 中国农业科学, 2024, 57(10): 1961-1978. |
[11] | 王飞, 李清华, 何春梅, 游燕玲, 黄毅斌. 长期施肥对黄泥田土壤团聚体中氮素积累和有机氮组成的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(9): 1718-1728. |
[12] | 韩紫璇, 房静静, 武雪萍, 姜宇, 宋霄君, 刘晓彤. 长期秸秆配施化肥下土壤团聚体碳氮分布、微生物量与小麦产量的协同效应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1503-1514. |
[13] | 马胜兰, 况福虹, 林洪羽, 崔俊芳, 唐家良, 朱波, 蒲全波. 秸秆还田量对川中丘陵冬小麦-夏玉米轮作体系土壤物理特性的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(7): 1344-1358. |
[14] | 杨建君, 盖浩, 张梦璇, 蔡育蓉, 王力艳, 王立刚. 深松结合秸秆还田对黑土孔隙结构的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 892-906. |
[15] | 周颖, 杨鹏, 王立刚, 雷秋良, 张雅南. 东北黑土区保护性耕作生态补偿机制优化路径[J]. 中国农业科学, 2023, 56(22): 4478-4489. |
|