中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (19): 3919-3931.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.19.009
赵剑(), 任涛, 方娅婷, 杨昕, 盛倩男, 李小坤, 朱俊(
), 鲁剑巍
收稿日期:
2024-10-21
接受日期:
2025-02-28
出版日期:
2025-10-01
发布日期:
2025-10-10
通信作者:
联系方式:
赵剑,E-mail:zjian@webmail.hzau.edu.cn。
基金资助:
ZHAO Jian(), REN Tao, FANG YaTing, YANG Xin, SHENG QianNan, LI XiaoKun, ZHU Jun(
), LU JianWei
Received:
2024-10-21
Accepted:
2025-02-28
Published:
2025-10-01
Online:
2025-10-10
摘要:
【目的】土壤氮素转化受微生物活动的调控,并受作物类型和施肥措施的调节。阐明稻油和稻麦轮作模式下施氮对冬季作物根际土壤有机氮矿化作用功能基因丰度的影响,加深对不同作物制度和氮肥投入下根际土壤有机氮矿化过程的理解。【方法】利用定位试验,在第7年采集稻油和稻麦两种轮作模式中不施氮和施氮处理下油菜和小麦根际土壤,分析根际有机质组分和氮的有效性的差异,并利用宏基因组测序分析根际土壤有机氮矿化功能基因的丰度。【结果】与不施氮相比,施氮显著提高了根际土壤中潜在矿化氮(PMN)、有机碳(SOC)、全氮(TN)、溶解性有机碳/氮(DOC、DON)、颗粒态有机碳/氮(POC、PON)和矿物结合态有机碳/氮(MAOC、MAON)的含量。相同施肥处理下,稻油和稻麦两种轮作模式下油菜和小麦根际土壤中有机质组分和氮的有效性之间无显著差异。与不施氮相比,施氮降低了根际土壤中编码蛋白酶(K14645)、几丁质酶(K01183)、脲酶(K01429和K01430)和精氨酸酶(K01476)功能基因的丰度,但提高了编码谷氨酸脱氢酶(K00260)功能基因的丰度。施氮处理,稻油轮作模式的油菜根际土壤编码蛋白酶(K14645)和精氨酸酶(K01476)功能基因的丰度显著高于稻麦轮作模式的小麦根际土壤。参与有机氮矿化功能基因微生物以变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)为主。施氮显著影响根际土壤编码蛋白酶功能基因的微生物群落结构,稻油和稻麦两种模式下油菜和小麦根际土壤参与有机氮矿化功能基因的微生物群落结构无显著差异。根际土壤中PMN和SOC是影响根际土壤有机氮矿化功能基因丰度和微生物群落结构的主要驱动因子。编码蛋白酶和精氨酸酶的功能基因丰度与PMN和SOC呈显著负相关。【结论】不同作物制度和氮肥投入都能够改变根际土壤中参与有机氮矿化功能基因的丰度,潜在矿化氮(PMN)和有机碳(SOC)是影响根际土壤中有机氮矿化功能基因丰度的主要因子。
赵剑, 任涛, 方娅婷, 杨昕, 盛倩男, 李小坤, 朱俊, 鲁剑巍. 施氮对不同轮作模式下油菜和小麦根际土壤中有机氮矿化功能基因的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(19): 3919-3931.
ZHAO Jian, REN Tao, FANG YaTing, YANG Xin, SHENG QianNan, LI XiaoKun, ZHU Jun, LU JianWei. Effect of Nitrogen Application on Organic Nitrogen Mineralization Functional Genes in Rapeseed and Wheat Rhizosphere Soils Under Different Rotation Patterns[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(19): 3919-3931.
表1
有机氮矿化的微生物功能基因"
功能分组 Functional groups | KEGG (KO) | 酶编号 Enzyme number | KO名称KO name |
---|---|---|---|
蛋白酶基因 Protease genes | K01342 | EC:3.4.21.62 | aprE; subtilisin |
K14645 | EC:3.4.21.- | K14645; serine protease | |
肽酶基因 Peptidase genes | K01255 | EC:3.4.11.1 | CARP, pepA; leucyl aminopeptidase |
K01256 | EC:3.4.11.2 | pepN; aminopeptidase N | |
几丁质酶基因 Chitinase genes | K01183 | EC:3.2.1.14 | E3.2.1.14; chitinase |
K01207 | EC:3.2.1.52 | nagZ; beta-N-acetylhexosaminidase | |
脲酶基因 Urease genes | K01428 | EC:3.5.1.5 | ureC; urease subunit alpha |
K01429 | EC:3.5.1.5 | ureB; urease subunit beta | |
K01430 | EC:3.5.1.5 | ureA; urease subunit gamma | |
K14048 | EC:3.5.1.5 | ureAB; urease subunit gamma/beta | |
精氨酸酶基因 Arginase gene | K01476 | EC:3.5.3.1 | E3.5.3.1, rocF, arg; arginase |
谷氨酸脱氢酶基因 Glutamic dehydrogenase genes | K00260 | EC:1.4.1.2 | gudB, rocG; glutamate dehydrogenase |
K00261 | EC:1.4.1.3 | GLUD1_2, gdhA; glutamate dehydrogenase (NAD(P)+) | |
K00262 | EC:1.4.1.4 | E1.4.1.4, gdhA; glutamate dehydrogenase (NADP+) |
表2
施氮对稻油和稻麦两种轮作模式下油菜和小麦根际土壤理化性质的影响"
处理 Treatment | 油菜Rapeseed | 小麦Wheat | Two-way ANOVA (P value) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
不施氮 -N | 施氮 +N | 不施氮 -N | 施氮 +N | 作物 Crop | 氮肥 Nitrogen | 作物×氮肥 Crop×Nitrogen | |
潜在矿化氮PMN (mg∙kg-1) | 53.12±4.74b | 73.07±8.01a | 46.17±5.31b | 78.70±5.12a | 0.852 | 0.000 | 0.104 |
无机氮SIN (mg∙kg-1) | 10.02±0.38b | 10.61±0.88a | 9.59±0.80b | 10.97±0.50a | 0.638 | 0.015 | 0.149 |
有机碳SOC (g∙kg-1) | 13.35±0.56b | 15.74±0.74a | 13.04±0.77b | 15.67±0.94a | 0.676 | 0.000 | 0.807 |
全氮TN (g∙kg-1) | 1.36±0.11b | 1.57±0.07a | 1.27±0.11b | 1.51±0.13a | 0.275 | 0.007 | 0.837 |
溶解性有机碳 DOM-C (mg∙kg-1) | 60.95±6.93b | 75.70±8.92a | 59.57±4.31b | 75.87±6.74a | 0.884 | 0.005 | 0.851 |
溶解性有机氮 DOM-N (mg∙kg-1) | 19.26±3.25c | 25.07±1.62ab | 21.25±2.96bc | 26.71±2.63a | 0.277 | 0.007 | 0.912 |
颗粒态有机碳POM-C (g∙kg-1) | 3.95±0.38b | 5.26±0.6a | 4.13±0.43b | 5.29±0.72a | 0.746 | 0.005 | 0.816 |
颗粒态有机氮POM-N (g∙kg-1) | 0.30±0.04b | 0.37±0.05a | 0.31±0.04b | 0.36±0.06a | 0.862 | 0.048 | 0.773 |
矿物结合态有机碳MAOM-C (g∙kg-1) | 9.41±0.35b | 10.48±0.54a | 8.91±0.50b | 10.38±0.64a | 0.343 | 0.003 | 0.540 |
矿物结合态有机氮MAOM-N (g∙kg-1) | 1.07±0.08b | 1.20±0.03a | 0.97±0.07b | 1.15±0.07a | 0.082 | 0.003 | 0.561 |
表3
施氮对稻油和稻麦两种轮作模式下油菜和小麦根际土壤有机氮矿化功能基因丰度的影响"
处理 Treatment | KO | 油菜Rapeseed | 小麦Wheat | Two-way ANOVA (P value) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
不施氮 -N | 施氮 +N | 不施氮 -N | 施氮 +N | 作物 Crop | 氮肥 Nitrogen | 作物×氮肥 Crop×Nitrogen | ||
蛋白酶基因 Protease genes | K01342 | 21.17±2.72a | 22.90±1.28a | 22.00±0.36a | 17.90±1.51b | 0.066 | 0.261 | 0.017 |
K14645 | 61.90±3.53a | 59.07±2.40a | 61.70±1.71a | 49.17±3.01b | 0.013 | 0.001 | 0.016 | |
肽酶基因 Peptidase genes | K01255 | 136.42±18.1a | 122.67±5.52a | 120.62±3.59a | 115.59±14.29a | 0.137 | 0.212 | 0.547 |
K01256 | 44.27±10.08a | 37.10±1.57a | 36.67±1.27a | 34.30±3.96a | 0.141 | 0.172 | 0.472 | |
几丁质酶基因 Chitinase genes | K01183 | 38.70±5.74a | 31.77±1.53b | 34.33±0.95ab | 32.43±0.65b | 0.321 | 0.035 | 0.188 |
K01207 | 138.09±7.22a | 127.23±4.22ab | 127.41±5.13ab | 117.93±12.59b | 0.062 | 0.058 | 0.886 | |
脲酶基因 Urease genes | K01428 | 28.17±2.02a | 26.73±0.32a | 28.93±0.59a | 27.93±2.01a | 0.278 | 0.188 | 0.804 |
K01429 | 25.40±2.16a | 22.20±1.61b | 23.77±1.10ab | 22.43±0.95ab | 0.451 | 0.033 | 0.322 | |
K01430 | 32.57±4.51a | 25.90±2.00b | 31.17±2.50ab | 29.53±1.44ab | 0.517 | 0.036 | 0.166 | |
K14048 | 14.53±1.19a | 14.03±1.00a | 14.73±0.60a | 13.20±1.15a | 0.604 | 0.121 | 0.404 | |
精氨酸酶基因 Arginase gene | K01476 | 109.16±3.52a | 99.42±3.60ab | 104.10±4.20a | 90.13±8.19b | 0.045 | 0.004 | 0.505 |
谷氨酸脱氢酶基因 Glutamic dehydrogenase genes | K00260 | 22.30±5.00b | 30.87±2.99a | 24.87±2.42ab | 26.13±3.43ab | 0.615 | 0.045 | 0.116 |
K00261 | 111.93±16.51a | 117.48±4.61a | 116.57±4.13a | 101.96±8.49a | 0.364 | 0.446 | 0.112 | |
K00262 | 18.07±2.97a | 21.90±2.19a | 18.57±0.98a | 21.13±4.27a | 0.938 | 0.089 | 0.712 |
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