华北地区不同秸秆还田下土壤反硝化潜势及反硝化细菌群落变化

近日，中国农业科学农业资源与农业区划研究所植物营养创新团队在Applied Soil Ecology发表题为“Response of soil denitrification potential and community composition of denitrifying bacterial to different rates of straw return in north-central China”的研究论文。

通过30年的秸秆还田试验，研究了中国中北部地区土壤反硝化潜势（DP）、nirK型和nirS型反硝化细菌的丰度和群落组成的变化。该试验包括五个处理：对照（CK，不施肥和不施秸秆），以及分别与0（S0）、2250（S1）、4500（S2）和9000 kg/ha（S3）玉米秸秆配合施用氮磷肥。相对于CK处理，S0显著增加了土壤DP和nirK和nirS基因的丰度，并且这些值随着秸秆率的增加而进一步增加；然而，化肥添加和秸秆还田量对两个反硝化群落的多样性没有影响。主成分分析表明，化肥添加和秸秆还田量显著影响nirS型反硝化细菌群落的组成，但对nirK型反硝化群落的影响较小。在所有处理中，土壤硝态氮、总氮和有机质与土壤DP及nirK型和nirS型反硝化细菌丰度呈正相关，是影响高秸秆还田率下两个nir型反硝化群落组成的主导因素。结果表明，秸秆还田量对nirK型和nirS型反硝化群落的丰度和组成有不同的影响，且nirS型反硝化群落比nirK型反硝化群落对秸秆还田量的增加更为敏感。

与CK处理相比，S0处理增加了土壤OM、TN、NO₃^--N和DP，但pH值下降。在S1处理中，SOM、TN、NO₃^--N和DP没有明显变化，但相对于S0处理，S2和S3处理中这些参数逐渐增加（P<0.05）。然而，土壤pH值随着秸秆覆盖率的增加而逐渐下降，土壤NH₄⁺-N在所有处理中无显著变化。

S0比CK处理增加了nirK和nirS基因的丰度。在S1-S3处理下，nirK基因拷贝数相似，都大于S0处理下的拷贝数（P<0.05）。S3处理下的nirS基因丰度大于S0-S2处理（P <0.05），而S0、S1和S2处理之间的nirS基因丰度没有明显差异。对于所有的处理，S1和S2处理比CK处理提高了nirK和nirS基因丰度的比例，但S0-S3处理之间的基因丰度比例没有明显差异。

S0处理比CK处理增加了nirK型和nirS型反硝化细菌的OTU、Chao1和ACE指数。与S0处理相比，S1-S2处理明显增加了nirK型反硝化细菌的这些指数，S3处理中的OTU、Chao1和ACE指数相对于S1-S2处理呈下降趋势，与S0处理中类似。在S0-S3处理下，nirS型反硝化细菌的OTU、Chao1和ACE指数没有明显差异，S3的这些指数相对于S0-S2处理呈下降趋势，与CK处理的指数水平相似。Shannon和Simpson指数在所有处理中没有明显差异。

主坐标分析显示，属水平的nirK型反硝化细菌群落在不同处理中沿PC1和PC2轴无显著分离（ADONIS R = 0.337, P = 0.136）。S0-S3下的nirS型细菌群落沿PC1轴与CK处理显著分离（ADONIS R = 0.782，P = 0.003）。

冗余分析表明，S2-S3处理下两个nir反硝化群落的组成主要受SOM、TN和NO₃^--N的影响，而CK和S0处理下两个细菌群落的组成明显受土壤NH₄⁺-N和pH的影响。

通过观察在nirK型反硝化群落可知，Bacteria_unclassified的丰度最高，占样品总细菌丰度的45.7%-55.3%，其次是Rhizobiales_unclassified (10.9%-14.1%)、Proteobacteria_unclassified (4.04%-7.14%)、Environmental_samples_norank (4.34%-6.16%)、Sinorhizobium (3.72%-6.47%)、Rhizobium (3.24%-6.08%)、Ensifer (2.00%-4.80%)、Mesorhizobium (2.56%-3.80%)、Bradyrhizobiaceae_unclassified (1.58%-4.69%)、Rhizobiaceae_unclassified (2.31%-7.36%)、Achromobacter (1.12%-2.26%)、Bradyrhizobium (0.71% -2.65%)和Bosea (0.62%-1.61%)。除了在CK处理下Bradyrhizobiaceae_unclassified的相对丰度高于S0处理外，各属的相对丰度在这两个处理下没有明显差异。与S0处理相比，S3处理下Bacteria_unclassified的相对丰度明显增加，S1-S3处理下Sinorhizobium、Rhizobium和Ensifer的相对丰度明显下降。

在nirS型反硝化群落中，主要的细菌属是Environmental_samples_norank (31.1%-41.3%)、Bacteria_unclassified (24.5%-38.8%)、Proteobacteria_ unclassified (13.5%-23.7%)、Rhodanobacter (3.88%-12.7%)、Betaproteobacteria_unclassified (1.31%-5.13%)、Azoarcus (0.33%-1.22%)、Rhodocyclaceae_unclassified (0.11%-0.72%)、Aromatoleum (0.03%-0.74%)、Pseudomonas (0.02%-0.50%)和Alphaproteobacteria_unclassified (0.05%-0.11%)与CK处理相比，S0处理增加了Proteobacteria_unclassified and Rhodanobacter属的丰度，并且这些组分随着秸秆添加量的增加而逐渐增加；然而，S0处理减少了Bacteria _unclassified和Environmental_samples_norank，并且这些组分随着秸秆添加量的增加而逐渐减少（P < 0.05）。

PLS-PM探讨了施肥制度、秸秆还田制度、土壤化学性质、反硝化潜势以及nirK型和nirS型反硝化群落之间的关系。该模型表明，施肥处理的转换对DP、SOM和N有明显的直接正向影响，对土壤pH有明显的直接负向影响，这与秸秆还田系统对各项指标的影响一致。施肥系统的转换对nirK和nirS型细菌群落没有直接影响。然而，秸秆还田系统的转换对nirS型细菌群落有积极的直接影响，但对nirK型细菌群落无直接影响。

原文链接 ↓

https:///10.1016/j.apsoil.2021.104312