硝化抑制剂和肥料减施对减少设施菜田氮源气体排放及与微生物功能基因的互作

开展了以减少设施菜田系统中氮源气体损失、提高肥料利用率为目的的田间试验。以设施黄瓜为例,通过设置对比常规施肥、减量施肥与不同硝化抑制剂型配比试验,连续5 a定位监测不同施肥处理下氮源气体排放规律,基于qPCR结果分析了氮源气体排放与氨氧化古菌AOA的互作关系,并应用高通量Illumina MiSeq平台测序,利用PICRUSt对16S rDNAV3-V4区基因系列数据进行分析,基于KEGG数据库对与氮代谢相关的功能基因进行了鉴定。结果表明,北方设施黄瓜-土壤系统的5个不同施肥处理中,增施硝化抑制剂DCD(处理In-1)与常规施肥(处理FT)和减量施肥(处理OPT)相比,每年向环境排放的氮氧化物(NO_x)排放总量分别减少76.5%和71.8%,减量施肥(处理OPT)和增施DCD分别比常规施肥(处理FT)氧化亚氮(N_2O)年排放总量减少28.4%和21.8%。明确了北方石灰性褐土设施黄瓜菜田中,增施DCD可显著抑制氨氧化古菌AOA种群数量,效果优于吡啶;氨氧化古菌AOA对NO_x排放起调控作用,氨氧化古菌AOA amoA基因拷贝数与土壤NO_x排放通量之间呈指数正相关关系:Y=121.18e~(3E-08x)(R~2=0.840 5,P0.05)。基于KEGG数据库的鉴定结果显示,在肥料减施(处理OPT)和硝化抑制剂(处理In-2)调控的土壤中,与同化途径相关的烯酰水合酶(K01692)、底物结合蛋白(K02035)以及转运系统ATP结合蛋白(K09687)系统代谢通路相关的功能基因相对丰度高,是响应上述调控变化最为敏感的氮循环途径。5 a间,与常规施肥(处理FT)相比,减量施肥(处理OPT)和增施DCD(处理In-1)的肥料偏生产力分别提升了32.1%～38.2%和17.8%～21.9%。因此,在北方设施菜田中,增施施氮量15%的硝化抑制剂和减量25%的肥料施用,可有效减少农田氮源气体排放损失,提高肥料利用率,并且明确了随着氨氧化古菌AOA种群数量的增加,NO_x的排放通量呈指数锐升的关系。为实现农业面源污染有效防控,促进我国农业高质量绿色发展提供了有力的科学依据。