科研 | SBB：长期的不同轮作改变了施氮后氮循环细菌群和一氧化二氮排放
编译：国民少女，编辑：小菌菌、江舜尧。
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农业占全球土壤一氧化二氮（N2O）排放的大部分。增加的作物多样性会改变土壤氮（N），理化特性并改变地下微生物群落，导致潜在的氮变化。硝化和反硝化是正在研究的两个主要的氮循环途径，因为它们对土壤氮循环和N2O的产生有贡献。本研究的目的是了解35年的农作物多样化对塑造多样性以及玉米氮肥后硝化和反硝化细菌的群落大小和活性以及NO排放的影响。2017年，在添加肥料后，使用自动室连续测量了简单的（玉米-玉米-大豆-大豆）和多样化的（玉米-玉米-大豆-小麦播种有红三叶草覆盖作物）长期排放的N2O。玉米第二年的四年轮换。在峰值N2O排放期间，使用高频时间采样收集土壤，以捕获施用硝酸尿素-硝酸铵（UAN）的土壤中16S rRNA，amoA，nirS，nirkK，nosZI和nosi基因和基因转录的变化。施用UAN后两次轮作均会发生，但在不同轮次中均较高，并且总和反硝化（nirK和nosZ2）细菌含量也持续较高。添加UAN后不久，细菌amoA在两个旋转中均显着增加，但基因检测在简单旋转中显着下降，而在不同旋转中仍保持升高。始终检测到非典型nosZ2的转录本，但在添加UAN后更高。在简单和不同的轮作之间，总细菌多样性没有差异，但是，导致土壤NO排放的大量微生物途径，氨气氧化剂和反硝化剂在种植历史更加多样化的土壤中升高了。包括作物多样化在内的最佳管理实践（BMP）需要考虑微生物群落和温室气体（GHG）的产生，以便充分量化土壤生态系统服务。
论文ID
原名：Long-term diverse rotation alters nitrogen cycling bacterial groups and nitrous oxide emissions after nitrogen fertilization
译名：长期的不同轮作改变了施氮后氮循环细菌群和一氧化二氮排放
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：5.795
发表时间：2020.07.07
通讯作者: Claudia Wagner-Riddle
通讯作者单位：圭尔夫大学
实验设计
场地描述和实验设计:该实验是在1980年在安大略省埃罗拉（Elora）进行的长期田间试验的第二年农田（6.1 mx 16.8m）中建立的，该长期试验由随机完整的整块设计和四年的作物轮作组成作为主要因素，而耕作为分块耕作。该地点的土壤被分类为带27％沙子，57％淤泥和17％粘土的泥质壤土。该实验是在6月至7月间，通过简单，多样的轮作，在第一和第二区块的地块上进行的，测量了N2O排放量。并进行了详细的土壤采样以进行微生物群落分析。使用自动隔室的技术限制阻止了使用第三和第四块的其他地块。取而代之的是，由于每个样地的大小，每个半样地都进行了连续的N2O排放和土壤采样以进行微生物分析，并进行了无机氮分析，从而为每个旋转提供了四个重复的土壤样和分析区域。玉米轮作的第二年期于2017年夏季进行.2017年6月12日，在六叶期，在玉米种植上施用了施肥的肥料，在六叶期施用了氮肥作为侧衣，因为UAN在150kg-Nha-1注入了5-7cm的深度对于CCSS和CCSWrc，每四年轮换施用的N量分别为332 kg-N ha-1和434 kg-N ha-1。
用于微生物分析的土壤采样:在6月7日取样土壤，并按频率（每周3次）采样（6月15日，19日，21日，23日，26日，30日，7月4日和18日）。
土壤核酸的提取和RNA反转录到cDNA:按照制造商的说明使用MoBio RNA Powersoil总RNA提取试剂盒共提取DNA和RNA，并在存储于20℃（DNA）或-80℃（RNA）之前使用NanoDrop（ThermoFisher）进行定量。使用RQI DNase（Promega）进行电泳，并通过凝胶电泳和qPCR进行测序，然后将其逆转录成cDNA。
总细菌和氮循环细菌基因和转录物的定量:使用qPCR定量总细菌群落和氮循环细菌群落。
一氧化二氮测量：使用与GasmetDX 4015FTIR分析仪连接的8个不透明的排气自动非稳态箱测量土壤大气界面的一氧化二氮排放量。
接下来进行土壤无机氮和水分测定，细菌多样性分析的土壤收集和处理及数据分析。
图1.安大略省埃洛拉（Elora）实验点的布局以及微生物和N2O分析的采样策略
结果
1 空气温度，降水和充满水的孔隙空间
平均气温从2017年6月1日的113°Con逐渐上升到6月和7月的月平均17.4℃和18.7°C（图2A）。每天的平均降水量（图2A）在施用肥料前少于6毫米。在6月，但在UAN加入之后，在6月1日至6月23日期间，日降水量在0至33.7mm之间。土壤WFPS在6月初描绘，但随降水量增加而增加（图2B）。所有地块的降雨量都是相同的，但WFPS增加了> 2天前CCSWre地块中反硝化作用占主导地位的水平的60％，并一直保持到7月4日。
2 土壤铵和硝
在研究期间，CCSS和CCSWrc旋转之间的土壤铵和硝酸盐变化不显着（NH4+和NO3-的p分别为0.59和0.48;）;然而，无机氮的水平却随时间变化很大（p <0.001）。在6月16日之前（包括6月16日），NO3-和NH4+均较低，并且显着增加，之后浓度逐渐下降（表S2）。实验结束时NOs的浓度仍高于基线，但NH4+的浓度在7月12日恢复到基线水平。（图2B）。
3 细菌和真菌群落组成
在从6月5日到UAN的这段时间里，CCSS和CCSWrc的平均排放量分别为4.2和6.2 gN2O-N ha-1·day-1。UAN的繁殖继两次N2O排放事件，第一个持续约12天6月23日达到峰值，6月29日至7月4日达到第二个峰值，6月30日达到峰值。在UAN受精后，CCSWrc旋转后，每天的NO排放开始增加到UAN基线以上，而在CCSS中有一个在N：O排放开始迅速增加之前约3天的时间。注完UAN后，土壤N2O排放显着增加并在6月13日至7月18日保持升高（图2C）。在各项措施中，ANOVA日均显着高于UAN在6月14日，15日，16日和17日分别测量了CCSWrc图谱中的谱带（p <0.05）.6月5日至7月31日的N2O累积排放量（未校正）在不同的轮换中增加了36.7％。在不同的旋转下，静止状态下的第一个排放事件显着更高（p = 0.04）。当校正N2O排放以高估面积比例通量时，CCSWrc的累积排放仍高于CCSS。
图2 长期简单（CCSS;虚线）和多样化（CCSWrc;实线）作物轮作中非生物变量和一氧化二氮（N2O）排放的时间动态。
3 简单多样的玉米轮作中细菌群落的丰度和活性
通过16SrRNA基因丰度测量的细菌总数平均比单纯旋转CCSS中细菌总数的平均值高1.4倍（范围为1.1I至1.6倍）在两种作物轮作之间，每克干旱土壤的16S rRNA基因的总细菌转录本拷贝没有显着差异（表S3）。基因和转录本丰度均显示时间变化。施用UAN后细菌的丰度和活性增加，并且在整个研究过程中仍保持升高（图3A和G）。
用amoA测得的硝化细菌群落显示出作物轮作与一年中的一天之间存在明显的惰性，因此，报告了研究的每一天轮作的主要影响。在6月21日，26日，30日，7月4日和18日，CCSWrc中的amoA细菌群落显着增加（图3B）。在6月21日至7月18日期间，CCSWrc中的土壤中氨/丰度平均提高2.6倍。在这项研究中测得的氮裂解细菌群落中，amoA的丰度随时间的增长最大。CCSS和CCSWrc中的amoA群落大小在UAN施用前在土壤中最低。
在开始增加N2O排放时，两个轮作中amoA基因的丰度都有了2倍的显着增加。到6月19日，amoA的含量又增加了9倍和7倍。 CCSWrc和CCSS分别表示感谢。6月21日之后，CCSS的amoA丰度在剩下的研究中没有变化，但是直到在CCSWrc样本中，amoA基因丰度在6月21日也有所下降，在6月26日达到峰值并达到峰值，此后在其余研究中有所变化，但与基因丰度相比没有明显变化。
amoA转录物丰度的测量低于UAN添加的qPCR定量限（图3H）。在UAN应用后的第一个采样日期（6月15日），仅在CCSWr中检测到了amoA转录物，此时NO的排放已经增加从6月19日开始，在第一次和主要的N2O排放期间，两次土壤均呈高变化，直到6月30日及以后两次旋转的检测值均低于检测极限。
图3 免耕管理下简单（CCSS，虚线）和多样化（CCSWrc，实线）长期作物轮作的土壤中总和氮循环细菌群的基因和转录本丰度。
4 细菌的丰度和活性——与土壤氮有关
进行了冗余分析（RDA），以了解每次旋转中土壤非生物特性，N2O排放和N循环基因丰度之间的关系（图4A和B）。对于CCSS数据，前两个轴解释了43.8％的变化，并且所有轴的置换测试都非常有意义（伪F = 4.5，p = 0.002）。对于CCSWrc，前两个轴解释了63.6％的变化，所有轴的置换测试也很重要（伪F = 9.6，p = 0.002）。在CCSS和CCSWrc数据中，我们看到NH4 +，NO3-，N2O排放与amoA基因丰度之间的紧密关系，朝向RDA轴1的左侧。nirS，nirK和nosZ2基因丰度之间也存在很强的关系，对于这两个旋转都指向RDA轴1的右侧。
图4.长期土壤氮循环基因，非生物变量和一氧化二氮（N2O）排放的冗余分析（RDA）
结论
这项研究考察了作物多样化对西图氏菌微生物性公害和N：排放的长期影响。在球茎期应用UAN的免病系统中，与简单的轮作相比，包括冬小麦和红三叶草在内的多种轮作增加了N2O的排放。在细菌多样性方面存在明显的差异，但负责土壤N转化的特殊群体在土壤条件和有效氮适宜的情况下，长期不同的轮作在土壤中更为丰富和活跃，从而增加了硝化和反硝化的能力，有助于N2O的排放。作物多样化提供了许多非生物益处，例如土壤有机碳，有效氮和土壤水分；然而，这些变量也可能促进活跃的微生物种群参与土壤养分的转化，并导致N2O的产生。在四年轮换中，重要的是认识到冬小麦和覆盖作物的N信用，并考虑调整N肥的使用量，以便以提供相同的产量和土壤效益，而不会增加微生物介导途径产生的N2O。
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