再生水灌溉对氮素生物有效性影响的微生物机制

摘要

水资源短缺与生态环境恶化是当前中国农业生产所面临的重大挑战和发展“瓶颈”。再生水中含有丰富的氮素等养分资源，如何合理利用再生水中氮素，减少氮肥施用，对于降低农业面源污染、改善生态环境及提高土壤可持续生产力具有重要意义。针对上述问题，本文主要研究了再生水灌溉条件下不同灌溉周期氮素生物有效性及其微生物群落的变化特征，揭示再生水灌溉氮素生物活性以及土壤微生物群落的变化规律，为科学利用再生水资源，缓解水资源供需矛盾，实现再生水灌溉农田生态环境安全提供理论依据。
　　本研究于2014-2015年在中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站进行。为探明再生水灌溉和氮素施用对土壤微环境的影响，通过温室盆栽种植小白菜试验，以清水为对照，研究了在5种施氮水平下再生水灌溉对土壤酶活性、微生物区系分布和土壤养分的影响，取得的主要研究结果如下：
　　（1）不同处理土壤理化学性状分析表明，再生水灌溉提高了土壤盐分及土壤氮素含量，再生水灌溉下土壤盐分为1.04 dS·m-1-1.32 dS·m-1，是清水灌溉土壤的1.5倍左右；相同氮素水平下，与清水灌溉相比，再生水土壤脲酶活性最大提高17.13％，过氧化氢酶活性最大提高14.39%，土壤蔗糖酶活性降低4.03%~18.69%；再生水灌溉下5种氮肥处理：0 mg.kg-1、80 mg.kg-1、100 mg.kg-1、120 mg·kg-1、180 mg.kg-1氮肥处理土壤呼吸均显著强于对应清水灌溉处理，分别为1.45、1.76、1.84、2.22、1.63μmol.m-2.s-1。
　　（2）不同处理土壤微生物数量与土壤理化性状相关分析表明，在低氮水平下，再生水灌溉对土壤真菌起促进作用，对氨化细菌无明显影响；在高氮水平下，再生水灌溉促进土壤细菌、氨化细菌增长，抑制土壤真菌生长；细菌总数与总氮、硝态氮含量呈极显著正相关（R2=0.477**，R2=0.488**），与有机质、pH呈负相关（R2=-0.361*，R2=-0.469**）；氨化细菌总数与硝态氮、温度、细菌总数、过氧化氢酶活性呈正相关，与有机质含量呈负相关。
　　（3）土壤微生物种类与土壤化学性质的典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis，CCA)表明，硝态氮和总磷对疣微菌门（Verrucomicrobia）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）的影响较大，pH和有机质对厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）的影响较大；氮素处理显著影响土壤微生物丰富度和多样性（P<0.05)；再生水灌溉下120 mg.kg-1氮肥处理更有利于土壤水分的保持和生物活性的提高，提升土壤肥力；土壤微生物群落结构受灌溉水类型的影响，当灌溉水源不同时，再生水灌溉下的土壤微生物群落不相同。
　　（4）应用miseq高通量技术分析不同氮素水平长期再生水灌溉下耕层（0-20cm)的土壤细菌群落结构特征表明，再生水灌溉对土壤硝化螺菌门（Nitrospirae）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）群落结构的影响明显，减少氮肥施用有利于土壤细菌种群丰富度和多样性的增加；土壤微生物群落结构受土壤化学特性的影响，pH对拟杆菌门（Bacteroidetes）和酸杆菌门（Acidobacteria）的影响较大；再生水灌溉能够促进与土壤碳、氮转化相关的微生物的增长和繁殖，改变土壤微生物的群落结构。