不同形态氮素调控玉米秸秆腐解的作用机理

来源 :安徽农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:honghui2009
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秸秆还田可以改善土壤理化性质、提高作物产量,促进养分资源循环利用和农业可持续发展。但是在农业生产过程中,由于秸秆还田量大,微生物与作物争氮,不利于秸秆腐解和养分利用,因此,加速秸秆腐解是循环利用秸秆养分资源的关键环节。前人研究多集中在添加微生物和调节C/N对秸秆腐解的影响上,而有关不同形态氮素对秸秆腐解的影响及其微生物作用机制的研究较少。本文采用尼龙网袋法进行室内培养试验,通过外源添加碳酸氢铵、硫酸铵、硝酸钙、尿素和谷氨酸等不同形态氮素调节玉米秸秆C/N(25∶1),以不添加氮素处理为对照(CK),研究不同形态氮素对玉米秸秆腐解和养分释放的影响;分析不同形态氮素对微生物群落结构和多样性的影响;探究不同形态氮素对纤维素和木质素降解相关酶活性的影响;筛选秸秆高效降解真菌和细菌,并探究其促腐作用机理。主要结果如下:(1)添加不同形态氮素后,随着培养时间的延长,玉米秸秆质量残留率逐渐降低,谷氨酸、硫酸铵和碳酸氢铵均能促进玉米秸秆的腐解,其中谷氨酸促进玉米秸秆腐解的作用最明显;玉米秸秆腐解过程中养分释放率呈钾>磷>氮的规律,添加不同形态氮素处理的玉米秸秆碳、氮、磷和钾素质量残留率逐渐降低,其中谷氨酸对玉米秸秆碳、氮和钾素释放促进作用最强,而硫酸铵能够促进秸秆中磷的释放。(2)核磁共振分析结果表明,玉米秸秆中的含烷氧基碳和异头碳官能团随着秸秆腐解而逐步降低,而含芳香碳、甲氧基碳、烷基碳、酚基碳和羧基/氨基碳官能团则随着秸秆的腐解而呈现相对富集趋势。硫酸铵促进了玉米秸秆中含烷基碳、羧基/氨基和酮醛官能团物质的腐解,抑制了含烷氧基、异头碳和甲氧基碳官能团物质的腐解。谷氨酸促进了玉米秸秆中含烷氧基和酮醛官能团物质的腐解,抑制了含芳香碳、甲氧基碳和芳香碳官能团物质的腐解。尿素促进玉米秸秆中含酮醛官能团物质的腐解,抑制含异头碳、芳香碳、酚基碳官能团物质的腐解。(3)硫酸铵显著了降低细菌丰富度和多样性,其他处理之间无显著性差异。硫酸铵在秸秆腐解前期显著提高了放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度,而在中后期显著提高了变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度;尿素在秸秆腐解前中期显著提高了拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度;谷氨酸在秸秆腐解前中期显著提高了Bacteroidetes和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度,后期显著提高了芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的相对丰度。(4)添加外源氮降低了秸秆中真菌丰富度和多样性;硫酸铵显著降低了子囊菌门(Ascomycota)和毛霉菌门(Mucoromycota)的相对丰度;尿素显著降低了Ascomycota和Mucoromycota的相对丰度,却显著增加了壶菌门(Chytridiomycota)的相对丰度。谷氨酸显著增加了Ascomycota的相对丰度,降低了Mucoromycota的相对丰度。(5)谷氨酸抑制了玉米秸秆腐解过程中β-葡萄糖苷酶(β-Glucosidase,β-GC)活性,而硫酸铵提高了β-GC活性。外源添加氮素在玉米秸秆腐解中期抑制了中性木聚糖酶(Neutral Xylanase,NEX)的活性,而硫酸铵在玉米秸秆腐解后期提高NEX的活性。硫酸铵和尿素在玉米秸秆腐解前中期极大地提高漆酶(Laccase,Lac)活性,尤其是在30天左右,添加谷氨酸在秸秆腐解中期能够促进Lac活性。外源添加氮素在秸秆腐解后期提高木质素过氧化物酶(Lignin peroxidase,Lip)活性,其中尿素的提高作用最大。(6)结构方程模型(Structural equation modeling,SEM)分析结果表明,添加谷氨酸会提高秸秆的降解速率,主要是通过调控Bacteroidetes的相对丰度进而影响Lac活性来提高秸秆的降解速率,通过调控Gemmatimonadetes的相对丰度进而影响β-GC活性来提高秸秆的降解速率。添加硫酸铵主要通过调控Actinobacteria和Proteobacteria的相对丰度进而影响β-GC和Lac活性来促进秸秆的降解。(7)通过CMC-Na平板方法,筛选出17株纤维素高效降解菌,均具有一定的产NEX、β-GC和羧甲基纤维素酶(Cellulase,CL)能力。添加硫酸铵处理的秸秆中,细菌主要是Actinobacteria和Proteobacteria,真菌主要是Ascomycota,Actinobacteria分泌NEX和CL,Proteobacteria分泌β-GC,Ascomycota分泌NEX;添加谷氨酸处理的秸秆中,细菌主要是Actinobacteria、Firmicutes和Proteobacteria,真菌主要是Ascomycota,Actinobacteria、Firmicutes和Ascomycota均可分泌NEX,Proteobacteria分泌NEX和β-GC。(8)通过苯胺蓝平板法,筛选出12株木质素高效降解菌,均具有一定的产Lac和Lip能力。添加硫酸铵处理的秸秆中,细菌主要是Proteobacteria,真菌主要是Ascomycota,Ascomycota和Proteobacteria分泌Lip和Lac;添加谷氨酸处理的秸秆中,细菌主要是Actinobacteria和Proteobacteria,真菌主要是Ascomycota和Mucoromycota,Proteobacteria和Ascomycota分泌Lip和Lac,Actinobacteria分泌Lac,Mucoromycota分泌Lip。
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