Page 48 - 《华中农业大学学报（自然科学版）》2022年第6期

第41卷 第6期 华 中 农 业 大 学 学 报 Vol.41 No.6
2022年 11月 Journal of Huazhong Agricultural University Nov. 2022，42~50

迎，轮作休耕对稻田土壤反硝化过程的影响值得 2
李娜，徐慧芳，黄国勤.稻田不同轮作休耕模式下土壤反硝化功能基因群落结构［J］.华中农业大学学报，2022，41（6）：42‐50. 蔗种植密度约为 8 230 株/hm ，移栽时间在 2021 年 5
DOI：10.13300/j.cnki.hnlkxb.2022.06.005 探索。 月，收获时间在 2021 年 12 月；甘薯种植密度约为 5.6
本试验通过研究不同轮作休耕模式下土壤理化 万株/hm ，移栽时间在 2021 年 7月，收获时间在 2021
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稻田不同轮作休耕模式下土壤反硝化 性质、土壤反硝化潜势及土壤反硝化功能基因 nirS 年 10 月。作物施肥量采用当地习惯施肥量，土壤取
和 nirK 群落结构的变化，分析土壤反硝化功能微生 样时间为试验收获后进行取样。
功能基因群落结构 物种群的丰度和群落组成，并明确其变化的重要影 表1 试验设计

响因子及关键菌属，旨在为提高农田生态系统氮素 Table 1 Test design
李娜，徐慧芳，黄国勤
利用效率提供科学参考。
江西农业大学生态科学研究中心，南昌330045
1 材料与方法
摘要 为了探索不同轮作休耕种植模式下稻田土壤氮素及相关微生物群落结构的变化，采用乙炔抑制法测 1.1 试验地概况
定土壤反硝化潜势，利用高通量测序手段分析反硝化微生物群落多样性和组成，以传统种植模式紫云英-早稻- 于2020 年 10 月至 2021 年 11 月在 江西省鹰潭
晚稻（A）为对照，比较分析 4 种轮作休耕种植模式：紫云英-早稻-玉米||甘薯（B）、油菜-甘蔗||春大豆（C）、紫云英-
市 余 江 区 农 业 科 学 研 究 所 试 验 田（28°14′8″N，
春大豆-秋大豆（D）和休耕（E）的土壤理化性状、土壤反硝化潜势及相关微生物组成变化。结果显示：4种轮作休
116°51′22″E）进行，该试验地属亚热带气候，周年总太
耕模式的土壤反硝化潜势显著低于传统轮作模式，有效减少了土壤氮素气态损失；4 种轮作休耕模式的 nirK 和
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阳辐射量为4 542.7 kJ/m ，周年平均日照时长1 852.4
nirS 功能基因群落结构存在显著差异，其中 nirK 基因群落结构受轮作休耕模式的影响小于 nirS 功能基因；与传
h；周年平均气温 17.7 ℃，极端最高温 40.5 ℃，极端最
统种植模式相比，休耕模式更有利于 nirS功能基因 α多样性的积累；从nirS和 nirK基因群落物种相对丰度来看，
低温 5.1 ℃；周年平均降雨量 1 796.8 mm；试验地为
轮作休耕模式的优势物种丰度高于传统轮作模式，其中紫云英-早稻-玉米||甘薯（B）和休耕（E）的菌属丰度相对
泥沙淤土，土质肥沃，偏微酸性。种植前的土壤理
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较 高 。 并 且 影 响 反 硝 化 潜 势 的 关 键 菌 属 是 大 豆 根 瘤 菌 Bradythizobium（r = 0.85，P <0.05）和 unclassi‐
-
fied_p_Proteobacteria（r = 0.88，P <0.05）；相关性分析及冗余分析发现，pH、有效磷、速效钾、硝态氮（NO 3 -N） 化 性 质 为 pH 4.28；碱 解 氮 159.6 mg/kg，有 效 磷
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与反硝化潜势呈显著相关，而影响 nirK 和 nirS 功能基因群落结构的重要影响因子是含水率。结果表明：稻田适 31.98 mg/kg，速效钾 26.67 mg/kg，全氮 1.86%，有机
-
当采用水旱、旱旱轮作及休耕模式，会改变土壤的淹水环境，影响反硝化功能基因群落结构，有助于抑制土壤氮 质 36.19 g/kg，NH 4 -N 3.73 mg/kg，NO 3 -N 8.79 注：“-”代表接茬，“||”代表间作。Note：“-”represents connection
+
and“||”represents interworking.
素的气态流失，促进土壤肥力提高及土壤结构改良，其中“紫云英-早稻-玉米||甘薯”和“休耕”种植模式效果最佳。 mg/kg，容重2.23 mg/kg，含水率22.56%。
关键词 轮作休耕；氮流失；反硝化潜势；反硝化功能基因群落结构；氮素利用效率；微生物种群 1.2 试验设计 1.3 土壤理化性质分析
中图分类号 S344.1；S154.3 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2022）06-0042-09 用 5点取样法分别取每小区 0~20 cm耕层土，混
本研究 5 种种植模式，A（CK）为传统轮作模式，
B、C、D为 3个多种作物轮作模式，E处理为休耕模式 合土样，带回实验室自然风干后分析土壤理化性质。
水稻是世界三大粮食作物之一。2019 年，我国 来，国内外针对稻田反硝化过程的研究主要在稻田的 用 pH 计测定土壤 pH，采用重铬酸钾法-浓硫酸外加
（表 1）。每个处理 3 次重复，每个小区面积为 66.7
［5］
［4］
水稻收获面积为 6 092.19 万 hm ，居世界首位，约占 不同施肥配比 、稻田水分调控 、稻田根际土壤 ［6］ 、反 热法测定有机质，NH 4 OAc 浸提-火焰光度法测定土
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m ，随机区组排列，小区周边设置同步种植同种品种
［7］
［8］
［9］
全 球 水 稻 收 获 面 积 的 1/3（http：//www. fao. org/ 硝化抑制剂 、稻虾共作 、秸秆还田 及种植绿肥作 壤速效钾含量，NaHCO 3 浸提-钼锑抗比色法测定土
的水稻保护区。小区间的田埂、保护行和环沟的宽
home/en/）。稻田土壤长期处于淹水厌氧状态，反硝 物 ［10］ 等方面，但对不同轮作休耕模式下稻田的特殊 壤有效磷含量，半微量凯氏法测定土壤全氮，KCl 浸
度分别为 0.5、1.0 和 0.5 m。试验作物品种：紫云英
化作用强烈，导致稻田氮素气态损失严重，氮肥利用 生境研究较少。稻田长期大量化肥的投入及土壤高
（余江大叶籽），油菜（华赣油1号），早稻（中早33），晚 提-靛酚蓝比色法测定铵态氮，紫外分光光度法测定
［1］
率低下，约为 30%~40% 。反硝化产物氧化亚氮 强度连作种植，在短期内会增加粮食的产量，但从长 硝态氮，碱解扩散法测定土壤碱解氮，环刀法测定土
稻（黄华占），春大豆（沪鲜豆 6 号），秋大豆（奎鲜二
［2］
（N 2 O）是一类重要的温室气体 。因此，稻田反硝化 期来看，会产生很多对生态环境的不利影响 ［11］ 。连
号），玉米（赣 1号），甘蔗（赣紫皮果蔗），甘薯（赣南瓜 壤容重和土壤含水率。
作用过程成为人们关注的热点问题。 作和单一作物种植导致根系分泌的有机酸和酚酸积
红薯）。紫云英播种量约为 22.5 kg/hm ，播种时间 1.4 土壤反硝化潜势测定
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［3］
水稻田属于典型的人工湿地生态系统 ，土壤生 累、土壤养分枯竭、病原微生物滋生和生物多样性降
2020 年 10 月，2021 年 4 月紫云英在盛花期直接翻压 采用乙炔抑制法测定土壤反硝化潜势，参照 Pell
境长期处于淹水厌氧条件下，其中 N 2 O 的产生和稻 低等 ［12］ ，最终影响作物生产及土壤环境的可持续性 ［14］
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还田；油菜种植密度约为 11.1 万株/hm ，移栽时间在 等 的方法进行。
田的氮素转化受到反硝化作用影响。稻田氮素的积 发展。与连作或单一种植模式相比，轮作休耕是改
2020年12月，收获时间2021年5月；早稻播种量约为 1.5 土壤反硝化功能基因测定
累、迁移和流失等循环转化过程会导致施入稻田中 善土壤环境质量和提高作物生产力的替代模式，在
45 kg/hm ，移 栽 时 间 在 2021 年 4 月 ，收 获 时 间 在 从每个小区随机挑选 5株作物，用无菌勺子刮取
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氮肥的流失、氮肥利用率下降，直接或间接地影响稻 增加作物多样性的同时储蓄了土壤养分 ［13］ 。因此，
2021 年 7 月；晚稻播种量约为 42 kg/hm ，移栽时间在 其根系表面土壤，装入 50 mL 无菌离心管中，加入液
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田生态系统健康和土壤可持续发展等问题。近年 轮作休耕农业管理制度在世界许多国家越来越受欢
2021年7月，收获时间在2021年11月；大豆种植密度 氮，用干冰将土壤样品运到实验室于-80 ℃冰箱储
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收稿日期：2022-04-11 约为6.7万株/hm ，春大豆移栽时间在 2021 年 4 月，收 存。再将取好的土样委托上海美吉生物医药科技有
基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFD0300208）；国家自然科学基金项目（41661070）；中国工程院咨询研究项目（2017-XY-28）；国家 获期在 6 月，秋大豆移栽时间在 2021 年 6 月，收获 限公司扩增测序。根据 biowest agArose（biowest，E.
自然科学基金项目（31901476）；江西省自然科学基金重点项目（20202ACBL215002）
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时间在 2021 年 11 月；玉米播种量为 6.7 万株/hm ， S.）说明书进行土壤微生物群落总 DNA 抽提。nirS
李娜，E-mail：1125694062@qq.com
通信作者：黄国勤，E-mail：hgqjxes@sina.com 播种时期在 2021 年 7 月，收获时间 2021 年 10 月；甘 基因采用的引物为：cd3aF_R3cdR（5' - GTSAAC‐