宋 賀, 金文俊, 車 釗, 曹文超, 董召榮, 王成雨**

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種植行距和品種對玉米根際反硝化菌群豐度和功能的影響*

宋 賀1, 金文俊1, 車 釗1, 曹文超2, 董召榮1, 王成雨1**

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 合肥 230036; 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193)

反硝化是根際氮素?fù)p失重要途徑, 作物品種和行距改變是否會對根際反硝化產(chǎn)生影響尚不清楚。本研究比較了不同玉米品種和種植行距間根際土壤反硝化菌群豐度和功能的差異, 為降低根際反硝化損失和提高氮肥利用效率提供科學(xué)依據(jù)。通過兩個獨立的田間試驗, 利用生物化學(xué)和分子微生物學(xué)方法, 分別研究‘浚單20’、‘安農(nóng)8號’、‘鄭單958’、‘品玉18’和‘隆平206’ 5個玉米品種以及20 cm、30 cm、40 cm、50 cm種植行距對根際土壤反硝化能力、反硝化菌群豐度、N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比和土壤呼吸等指標(biāo)的影響。‘浚單20’、‘安農(nóng)8號’、‘鄭單958’根際反硝化能力顯著低于其他兩個品種; 隨著行距減少, 反硝化能力有顯著增加趨勢。‘隆平206’和‘品玉18’的型反硝化菌群豐度顯著高于其他品種, 而和型菌群的豐度以‘浚單20’和‘安農(nóng)8號’最高; 行距20 cm的和型菌豐度顯著高于其他行距處理, 但型菌豐度以40 cm行距豐度最大。品種對N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比有一定影響, 其中‘安農(nóng)8號’最低, 但行距對產(chǎn)物比沒有顯著影響。相關(guān)分析表明反硝化能力與土壤呼吸和型菌群豐度均極顯著正相關(guān), 但與和型菌群未呈現(xiàn)這種關(guān)系, 由此表明型菌豐度和根際有機碳差異可能是造成反硝化能力不同的主導(dǎo)因子。品種和種植行距會對玉米根際反硝化過程產(chǎn)生一定影響, 根際低反硝化損失品種的篩選、選育和根際反硝化過程調(diào)控是減少根際反硝化損失, 提高氮肥利用效率的有效途徑。

玉米; 品種; 行距; 根際; 反硝化能力; 反硝化菌群; N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比

根際是植物、土壤和微生物相互交流的中心, 也是植物與土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)交流的最活躍區(qū)域[1]。根際生態(tài)過程的調(diào)控是提高作物養(yǎng)分利用效率的關(guān)鍵。氮素轉(zhuǎn)化是根際最核心的生態(tài)過程之一, 與作物氮肥利用率和氮素相關(guān)環(huán)境污染密切相關(guān)。氮素轉(zhuǎn)化中反硝化過程將植物可利用的NO3–還原為植物較難利用的N2O、NO和N2等氣態(tài)產(chǎn)物, 直接導(dǎo)致根際氮素?fù)p失。此外, N2O和NO是大氣中主要的痕量氣體, 對全球氣候變暖和臭氧層破壞起到重要作用[2-3]。因此, 深入研究根際土壤反硝化過程對于提高作物氮肥利用率、降低痕量氣體排放和促進低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

反硝化過程主要由反硝化菌群驅(qū)動, 受到土壤NO3–濃度、土壤pH和有機碳及鹽分含量等因素的調(diào)控[4-5]。在作物生長過程中, 根系會通過吸收NO3–、鹽基離子或釋放有機碳調(diào)節(jié)根際土壤NO3–濃度、pH和鹽分和有機碳含量, 進而影響反硝化過程。例如, 作物一生通過根系可釋放約占整個光合產(chǎn)物17%的有機碳, 這些有機碳為根際反硝化菌提供重要的能源[6], 在一些NO3–含量高的土壤中, 根際反硝化率是非根際土壤的22倍[7]。不同種類植物根系在吸肥和分泌有機碳方面存在差異, 其根際反硝化特征也應(yīng)不同。前人研究發(fā)現(xiàn)不同植物種類對根際型反硝化菌群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響[8]。同樣, 同種作物的不同基因型在吸肥和分泌有機碳量和質(zhì)方面也存在差異[9-11], 這些差異是否對反硝化菌群和功能產(chǎn)生影響, 目前尚不清楚。除品種優(yōu)選外, 通過調(diào)節(jié)行距優(yōu)化群體密度也是作物增產(chǎn)的一項有效措施, 被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。不同種植行距會對作物根系吸肥和有機物釋放造成顯著影響[12-13], 但目前種植行距對根際反硝化的影響也不明確。

通過兩個獨立的田間小區(qū)試驗, 本研究比較了不同玉米品種和種植行距間根際土壤、和型反硝化菌豐度的差異, 同時結(jié)合反硝化能力和N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比的測定, 明確反硝化功能的變化特征, 為闡明品種和種植行距間植株根際反硝化特征差異、降低根際氮素?fù)p失和提高作物氮肥利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

本研究包括兩個試驗地點, 分別為阜南和合肥試驗點。阜南試驗點位于安徽省阜南縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗園(32°66￠N, 115°59￠E)。該地區(qū)年平均溫度和降雨量分別為15 ℃和900 mm。土壤類型為砂漿黑土, 試驗前表層土壤(0~20 cm)全氮含量1.53 mg?kg-1,堿解氮83.2 mg?kg-1, 速效磷56.5 mg?kg-1, 速效鉀78.7 mg?kg-1, 有機質(zhì)16.8 g?kg-1[14]。合肥試驗點位于安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)翠園試驗基地(31°87￠N, 117°25￠E)。該區(qū)年平均溫度為15.7 ℃, 降雨量近1 000 mm。土壤類型為黃褐土, 玉米種植前0~20 cm土層有機質(zhì)含量14.5 g?kg-1, 全氮1.21 mg?kg-1,堿解氮76.4 mg?kg-1, 速效磷32.4 mg?kg-1, 速效鉀84.6 mg?kg-1。

1.2 試驗布置與樣品采集

試驗1為玉米品種比較試驗, 在阜南試驗點進行; 試驗2為不同種植行距試驗, 試驗地點為合肥試驗點。試驗主要采用完全隨機設(shè)計, 每個處理3次重復(fù)。

試驗1, 小區(qū)面積為28 m2(4 m×7 m), 供試玉米品種包括‘浚單20’(XD)、‘安農(nóng)8號’(AN)、‘鄭單958’ (ZD)、‘品玉18’(PY)和‘隆平206’(LP)。2013年6月10日播種, 種植密度為6萬株?hm-2, 氮肥用量為240 kg(N)?hm-2, 基追比5︰5, 追肥在大喇叭口進行。磷肥和鉀肥用量分別為105 kg(P2O5-)?hm-2和105 kg(K2O)?hm-2, 全部作為基肥施用。更多試驗細節(jié)可參考文獻[14]。

試驗2, 玉米品種為‘鄭單958’。小區(qū)面積為8 m2(2 m×4 m), 主要設(shè)置20 cm、30 cm、40 cm和50 cm 4個行距處理, 株距都為30 cm。2013年6月16日播種, 氮肥用量為220 kg(N)?hm-2, 基追比5︰5, 追肥在大喇叭口進行。磷肥和鉀肥用量分別為120 kg(P2O5-)?hm-2和110 kg(K2O)?hm-2, 全部作為基肥施用。

于玉米開花初期在每個小區(qū)隨機選點取樣, 挖取玉米根系采用抖根分離法取根系所粘土壤為根際土壤, 用直徑5 cm土鉆取相應(yīng)植株行間土壤為非根際土壤[15]。取樣后裝入塑料封口袋內(nèi), 放入裝有冰袋的保溫箱內(nèi), 帶回實驗室后過2 mm篩, 分兩部分儲藏, 一部分放在–20 ℃冰箱儲藏, 主要用于反硝化功能基因分子定量試驗; 另一部分放在4 ℃冰箱儲藏, 主要用于培養(yǎng)試驗和土壤理化性狀測定。

1.3 土壤微生物總DNA提取和功能基因熒光定量

取0.5 g土樣, 用土壤DNA提取試劑盒(Fast DNA SPIN Kit for Soil, 美國Q-BIO gene公司), 按試劑盒操作步驟, 提取土壤微生物總DNA, 總提取量為80 μL。洗脫液放入?20 ℃冰箱儲藏。分別選取、和3對引物擴增反硝化菌功能基因、和[16-18]。50 μL反應(yīng)體系包括25 μL SYBR Premix Ex Taq (TaKaRa, 日本), 引物各1 μL (10 μmol?L-1), DNA模板1 μL, 其余的用滅菌高純水補齊。擴增程序為95 ℃ 2 min; 95 ℃ 30 s, 58 ℃45 s, 72 ℃45 s, 35個循環(huán)。的PCR反應(yīng)程序為: 94 ℃ 3 min; 94 ℃ 45 s, 55 ℃45 s, 72 ℃1 min, 35個循環(huán)。的PCR反應(yīng)程序為95 ℃ 3 min; 94 ℃ 20 s, 59 ℃20 s, 72 ℃30 s, 35個循環(huán)。定量PCR反應(yīng)在Mx3000P real-time PCR系統(tǒng)(Stratagene, USA)上進行。質(zhì)粒和標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備主要依照王曉輝[19]的方法。

1.4 反硝化能力(Denitrification Capacity, DC)、N2O/(N2O+N2)和土壤呼吸測定

反硝化能力的測定主要按照?imek的標(biāo)準(zhǔn)方法[20]。各小區(qū)取兩組10 g根際鮮土放入兩組120 mL培養(yǎng)瓶中, 向瓶中加入4 mL濃度為10 mmol?L-1的KNO3溶液, 隨后密封, 并用氦氣反復(fù)沖洗4次。其中一組注入10 mL乙炔, 另一組不注入。注乙炔的培養(yǎng)瓶, 用裝有少量水、沒有活塞的注射器插入瓶塞用來平衡瓶內(nèi)氣壓。在24 h和48 h后, 兩組都抽取5 mL氣體上氣相色譜測定N2O和CO2濃度(美國Agilent, GC-7890A), 防止氣壓變低, 由相同體積的氦氣進行補氣平衡。根據(jù)24 h到48 h N2O和CO2濃度變化率計算反硝化能力、N2O/(N2O+N2)和土壤呼吸[20-21]。其中添加乙炔的培養(yǎng)瓶N2O氣體變化率是反硝化能力, 代表反硝化總量N2O+N2的產(chǎn)生率; 不添加乙炔的培養(yǎng)瓶N2O氣體變化量代表反硝化過程N2O排放率。

1.5 土壤pH、無機氮、電導(dǎo)率和含水量測定

土壤無機氮(NH4+-N和NO3?-N)主要在1.0 mol×L-1KCl浸提后, 用流動分析儀測定(TRAACS2000, Hamburg, 德國)。電導(dǎo)率和土壤pH由電導(dǎo)儀和土壤pH計測定(上海, 雷磁), 水土比為5︰1。土壤含水量(%)為土壤水質(zhì)量/烘干土質(zhì)量×100%。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)用SPSS 19分析軟件進行單因素方差和相關(guān)性分析。圖中數(shù)據(jù)為處理平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。圖表由Microsoft Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米品種和種植行距對根際土壤化學(xué)性狀的影響

從表1可以看出, 不同品種玉米根際土壤的基本化學(xué)性狀存在較為明顯的差異?！∑?06’根際土壤pH顯著低于其他幾個品種。硝態(tài)氮含量‘隆平206’最高, ‘浚單20’最低, 而銨態(tài)氮含量則相反。根際土壤電導(dǎo)率‘安農(nóng)8號’和‘品玉18’最高, ‘鄭單958’和‘隆平206’次之, ‘浚單20’最低。不同品種根際土壤含水量也存在一定差異, ‘浚單20’和‘隆平206’顯著高于‘安農(nóng)8號’和‘品玉18’。

種植行距對土壤化學(xué)性狀也產(chǎn)生較明顯影響。隨著行距的減少, 根際土壤pH顯著降低, 行距20 cm時土壤pH下降為5.55, 與周圍土體相比下降近1個單位。在無機氮方面, 50 cm行距處理顯著低于其他行距處理。40 cm行距處理土壤電導(dǎo)率最大。此外, 品種和行距比較試驗均顯示玉米開花期根際土壤pH顯著低于周圍非根際土壤。

表1 玉米品種和種植行距對根際土壤性狀的影響

不同字母表示在品種或行距之間差異顯著(<0.05)。Different letters indicate significant differences between varieties and row spacings (< 0.05).

2.2 玉米品種和種植行距對根際土壤反硝化菌群豐度的影響

圖1A顯示‘品玉18’和‘隆平206’根際土壤中型反硝化菌群豐度顯著高于其他3個玉米品種。在型和型反硝化菌群方面, ‘浚單20’和‘安農(nóng)8號’的豐度顯著高于其他3個品種(圖1)。此外, ‘浚單20’、‘安農(nóng)8號’和‘鄭單958’的/(+)比例顯著高于‘品玉18’和‘隆平206’(圖1B)。

種植行距也對反硝化菌群產(chǎn)生明顯影響。從圖2A可以看出, 20 cm行距根際土壤中型和型反硝化菌群豐度顯著高于其他3個行距處理。在型菌群方面, 40 cm行距處理的豐度最高, 其他處理之間差異不顯著(圖2B)。與品種的影響不同, 行距對/(+)比例的影響較少, 處理之間差異不顯著(圖2B)。

比較兩個試驗根際和非根際土壤可知, 根際土壤中型反硝化菌群豐度顯著高于非根際土壤, 但根際土壤和型反硝化菌群豐度并不完全高于非根際土壤(圖1、圖2)。兩個試驗中, 根際土壤中型反硝化菌群豐度遠高于型, 它們之間相差兩個數(shù)量級以上(圖1、圖2)。

XD為‘浚單20’, AN為‘安農(nóng)8號’, ZD為‘鄭單958’, PY為‘品玉18’, LP為‘隆平206’, Bulk為非根際土。不同字母表示在品種之間差異顯著(<0.05)。XD: Xundan20; AN: Annong 8; ZD: Zhengdan 958; PY: Piyu 18; LP: Longping 206. Different letters indicate significant differences among varieties (< 0.05).

Bulk為非根際土, 不同字母表示行距間差異顯著(<0.05)。Bulk: non-rhizosphere soil.Different letters indicate significant differences among row spacings (< 0.05).

2.3 玉米品種和種植行距對根際土壤反硝化能力、N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比和土壤呼吸的影響

從圖3A可知, ‘隆平206’和‘品玉18’根際土壤反硝化能力顯著高于其他3個品種。在N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比和根際土壤呼吸方面, ‘安農(nóng)8號’均顯著低于其他品種(圖3)。除品種影響外, 種植行距也對反硝化能力和土壤呼吸產(chǎn)生顯著影響。隨著行距減少反硝化能力有顯著增加的趨勢, 20 cm處理的最高(圖4A)。此外, 20 cm的土壤呼吸也顯著高于其他行距較大處理。與品種的影響不同, 行距對N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比沒有顯著影響。兩個試驗中, 根際土壤反硝化能力和土壤呼吸均顯著高于非根際土壤。

Bulk為非根際土, 不同字母表示品種間差異顯著(<0.05)。Bulk: non-rhizosphere soil. Different letters indicate significant differences among varieties (< 0.05).

Bulk為非根際土, 不同字母表示行距間差異顯著(<0.05)。Different letters indicate significant differences among row spacings (< 0.05) .

2.4 品種和行距比較試驗中被測量變量之間相關(guān)性分析

在兩個比較試驗中, 反硝化能力與土壤呼吸極顯著正相關(guān)(=0.889和0.866,<0.01), 與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.726和-0.918,<0.001)。土壤呼吸和土壤pH之間也表現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)。此外, 反硝化能力與反硝化菌群豐度也極顯著正相關(guān)(=0.850和0.795,<0.01)。在玉米品種比較試驗中, 反硝化能力與型反硝化菌群豐度極顯著負(fù)相關(guān), 但在行距比較試驗中, 兩者相關(guān)性不顯著(表2、表3)。兩個試驗中, 反硝化能力與型反硝化菌群豐度均不相關(guān)。在N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比方面, 在品種比較試驗中, 它與/(+)極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.701,=0.001), 但與型反硝化菌群豐度不相關(guān); 在行距比較試驗中, 產(chǎn)物比與/(+)和型反硝化菌群豐度均不相關(guān)。

DC: 反硝化能力。*、**分別表示相關(guān)性顯著(<0.05)和極顯著(<0.01)。DC: denitrification capacity. * and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

表3 行距比較試驗中被測量變量間相關(guān)性分析

DC: 反硝化能力。*、**分別表示相關(guān)性顯著(<0.05)和極顯著(<0.01)。DC: denitrification capacity. * and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

3 討論

根際土壤反硝化過程與根際氮素?fù)p失、作物氮肥利用效率密切相關(guān)[22]。本研究從品種和種植行距入手, 研究它們對根際土壤反硝化過程的影響。結(jié)果表明, 不同玉米品種間根際土壤反硝化能力方面存在一定差異?！?0’、‘安農(nóng)8號’和‘鄭單958’的根際土壤反硝化能力顯著低于‘隆平206’和‘品玉18’, 說明前3個品種的根際氮素反硝化損失相對較少。目前提高作物氮素利用率方面主要從精準(zhǔn)施肥[23]、高氮吸收能力品種選育入手[24],很少考慮作物根際的氮素?fù)p失,特別是反硝化損失。而實際上, 減少根際氮素反硝化損失可能是提高作物氮肥利用效率的另一條重要途徑。在未來研究中, 應(yīng)重視根際土壤反硝化過程的調(diào)控和低反硝化損失品種的選育。

在目前的作物栽培措施中, “增密減氮”是提高作物氮肥利用、減少氮肥負(fù)面環(huán)境效應(yīng)的重要措施[25]。比如Al-Naggar等[26]研究發(fā)現(xiàn), 對于一些耐密的玉米品種, 當(dāng)種植密度從每公頃71 400株增加到95 200株時, 氮肥用量可從每公頃570 kg N降低到285 kg N, 而此時產(chǎn)量基本保持不變。但本研究表明隨著種植行距的減少, 即種植密度不斷增加, 玉米根際土壤反硝化能力不斷增加?？梢娮魑锩芏鹊脑黾討?yīng)該控制在一定的范圍內(nèi), 如果超過某一臨界密度, 根際氮素反硝化損失可能會顯著提高, 從而又不得不增加氮投入量來獲得高產(chǎn)。此時“增密減氮”措施的效果將會大大削弱, 很難起到減氮目的。Boomsma等[27]研究表明當(dāng)種植密度從每公頃79 000株增加到104 000株時, 氮肥投入量反而要提高165 kg N才能獲得相同產(chǎn)量。

在被測定的指標(biāo)中, 根際反硝化能力在兩個試驗中與土壤呼吸均極顯著正相關(guān)。土壤呼吸代表著土壤有機碳的礦化[20], 在一定程度上反映土壤微生物可利用有機碳的量[28]。由此推測, 玉米品種和種植行距對根際土壤反硝化過程影響, 可能很大程度由根際有機碳分泌量不同導(dǎo)致。在根際分泌物中, 有機酸是其重要的組成部分, 其分泌量與根際土壤pH顯著負(fù)相關(guān)[29]。本研究也發(fā)現(xiàn)根際土壤pH與土壤呼吸極顯著負(fù)相關(guān)。因此, 品種和種植行距試驗中根際土壤pH顯著性的差異在一定程度上印證了根際有機碳分泌量存在一定的不同。反硝化菌主要是異養(yǎng)微生物, 有機碳為它們提供能源。根際有機碳供應(yīng)的差別將會對反硝化能力產(chǎn)生一定影響。因此, 在未來科學(xué)實踐中, 根際土壤氮素反硝化損失的控制, 應(yīng)首先從植物根系土壤有機物分泌調(diào)控入手。

除了受環(huán)境因子影響外, 反硝化菌群直接參與根際反硝化過程, 其豐度變化也可能對根際反硝化能力產(chǎn)生一定影響。本研究中不同玉米品種和種植行距對型、型和型反硝化菌均產(chǎn)生一定影響, 但其豐度與土壤反硝化能力相關(guān)性之間存在差異。兩個試驗中,型反硝化菌群豐度與反硝化能力沒有顯著相關(guān)性, 而型菌群豐度與反硝化能力均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系;型菌群豐度在品種試驗中與反硝化能力呈負(fù)相關(guān), 但在行距試驗中相關(guān)性不顯著。研究表明,型菌參與反硝化末端N2O還原, 它更多地與N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比有關(guān), 但與反硝化能力相關(guān)性不強[30]。型和型反硝化菌均參與反硝化第2步NO2-還原, 它們與反硝化能力關(guān)系上的不同, 可能恰反映出兩者生態(tài)位存在一定差異。兩個試驗表明, 玉米根際土壤中型反硝化菌豐度至少高于型菌兩個數(shù)量級?？梢娫谟衩赘H中,型菌對NO2-還原起到絕對主導(dǎo)作用, 同時由于菌的劇烈競爭,型菌的豐度與根際反硝化能力相關(guān)性較差, 甚至負(fù)相關(guān)。根際土壤中型菌競爭較弱可能主要受兩個因素影響。首先, 相比較型反硝化菌,型菌受pH降低影響較大[31]。本研究中根際土壤pH較非根際土壤顯著下降, 有些處理下降了近1個單位。此外, 相對于型菌,型反硝化菌更喜歡有機碳和營養(yǎng)元素含量較高的環(huán)境, 而根際土壤恰具備這一特征[32]。

除了反硝化能力方面, 反硝化N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比因與痕量氣體N2O排放密切相關(guān), 備受關(guān)注?；蚓幋a的N2O還原酶被認(rèn)為是唯一的N2O生物匯, 因此一般認(rèn)為型反硝化菌豐度與N2O/ (N2O+N2)產(chǎn)物比之間存在較強負(fù)相關(guān)[33]。但本研究兩個試驗結(jié)果表明,菌豐度與N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比的相關(guān)性并不顯著。最新研究表明[34-35], 與型豐度絕對量相比,/(+)豐度比和N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比之間的關(guān)系更具可比性, 因為/(+)豐度比不但考慮N2O還原, 還考慮了N2O產(chǎn)生, 更能反映N2O的“源-匯平衡”。在本研究品種試驗中,/(+)豐度比與N2O/(N2O+ N2)產(chǎn)物比呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系; 但在密度試驗中, 兩者之間相關(guān)性不顯著。造成這一結(jié)果的主要原因, 可能與兩個試驗中/(+)豐度比相差較大有關(guān)。在品種比較試驗中,/(+)豐度比為4.3%~35.2%,型菌在反硝化菌群中占有一定比例, 能起到一定作用; 但在行距比較試驗中,/ (+)豐度比僅為0.4%~1.3%,型菌在反硝化菌種群占據(jù)比例太低, 難以發(fā)揮較大作用, 因此與N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比的關(guān)系, 易受其他因素的影響。

4 結(jié)論

品種和種植行距都會對玉米根際土壤反硝化過程產(chǎn)生顯著影響?！?0’、‘安農(nóng)8號’和‘鄭單958’根際反硝化能力顯著低于其他兩個品種。隨著行距減少, 反硝化能力有顯著增加趨勢。根際土壤有機碳量和型反硝化菌豐度的差異是造成反硝化過程改變的主導(dǎo)因子。品種對反硝化N2O/(N2O+N2)產(chǎn)物比有一定影響, 但行距對產(chǎn)物比沒有顯著影響。在未來玉米品種選育和高效栽培管理中, 根際低反硝化損失品種篩選、選育和根際土壤反硝化過程的調(diào)控是減少根際氮素反硝化損失、減少痕量氣體排放和提高氮肥利用效率新的有效途徑。

References

[1] 陸雅海, 張福鎖. 根際微生物研究進展[J]. 土壤, 2006, 38(2): 113–121 Lu Y H, Zhang F S. The advances in rhizosphere microbiology[J]. Soils, 2006, 38(2): 113–121

[2] Bothe H, Ferguson S J, Newton W E. Biology of the Nitrogen Cycle[M]. Amsterdam: Elsevier Science, 2007: 1–427

[3] Ravishankara A R, Daniel J S, Portmann R W. Nitrous oxide (N2O): The dominant ozone depleting substance emitted in the 21st century[J]. Science, 2009, 326(5949): 123–125

[4] Philippot L, Hallin S, Schlote M. Ecology of denitrifying prokaryotes in agricultural soil[J]. Advances in Agronomy, 2007, 96: 249–305

[5] 宋賀, 王成雨, 陳清, 等. 長期秸稈還田對設(shè)施菜田土壤反硝化特征和N2O排放的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 2014, 35(6): 628–634 Song H, Wang C Y, Chen Q, et al. Effects of long-term amendment of residue on denitrification characteristics and N2O emissions in greenhouse soil[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2014, 35(6): 628–634

[6] Henry S, Texier S, Hallet S, et al. Disentangling the rhizosphere effect on nitrate reducers and denitrifiers: Insight into the role of root exudates[J]. Environmental Microbiology, 2008, 10(11): 3082–3092

[7] Hamonts K, Clough T J, Stewart A, et al. Effect of nitrogen and waterlogging on denitrifier gene abundance, community structure and activity in the rhizosphere of wheat[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2013, 83(3): 568–584

[8] Wang H T, Su J Q, Zheng T L, et al. Impacts of vegetation, tidal process, and depth on the activities, abundances, and community compositions of denitrifiers in mangrove sediment[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2014, 98(22): 9375–9387

[9] 盛婧, 張鵬, 孫國鋒, 等. 基于污染控制的小麥品種氮磷鉀吸收與移除特征研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(3): 487–493 Sheng J, Zhang P, Sun G F, et al. Nutrient absorption characteristics and removal from soil with different wheat varieties based on pollution control[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 487–493

[10] Liu J G, Qian M, Cai G L, et al. Variations between rice cultivars in root secretion of organic acids and the relationship with plant cadmium uptake[J]. Environmental Geochemistry and Health, 2007, 29(3): 189–195

[11] Li X G, Zhang T L, Wang X X, et al. The composition of root exudates from two different resistant peanut cultivars and their effects on the growth of soil-borne pathogen[J]. International Journal of Biological Sciences, 2013, 9(2): 164–173

[12] 姜興芳, 陶洪斌, 鄭志芳, 等. 株行距配置對玉米根系性狀及產(chǎn)量的影響[J]. 玉米科學(xué), 2013, 21(2): 116–121 Jiang X F, Tao H B, Zheng Z F, et al. Effect of spacing allocation on the root system characters and yield of maize[J]. Journal of Maize Sciences, 2013, 21(2): 116–121

[13] Jiang W S, Wang K J, Wu Q P, et al. Effects of narrow plant spacing on root distribution and physiological nitrogen use efficiency in summer maize[J]. The Crop Journal, 2013, 1(1): 77–83

[14] 王成雨, 宋賀, 胡玲惠, 等. 玉米品種耐淹形態(tài)指標(biāo)篩選及其耐淹光合生理特性研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2014, 41(4): 533–539 Wang C Y, Song H, Hu L H, et al. Screening for cultivars with water-logging resistance through analyzing morphological indexes and photosynthetic characteristics in maize[J]. Journal of Anhui Agricultural University, 2014, 41(4): 533–539

[15] 云鵬, 高翔, 陳磊, 等. 冬小麥–夏玉米輪作體系中不同施氮水平對玉米生長及其根際土壤氮的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2010, 16(3): 567–574 Yun P, Gao X, Chen L, et al. Plant nitrogen utilization and soil nitrogen status in rhizosphere of maize as affected by various nitrogen rates in wheat-maize rotation system[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(3): 567–574

[16] Braker G, Fesefeldt A, Witzel K P. Development of PCR primer systems for amplification of nitrite reductase genes (and) to detect denitrifying bacteria in environmental samples[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1998, 64(10): 3769–3775

[17] Throb?ck I N, Enwall K, Jarvis A, et al. Reassessing PCR primers targeting,andgenes for community surveys of denitrifying bacteria with DGGE[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2004, 49(3): 401–417

[18] Henry S, Bru D, Stres B, et al. Quantitative detection of thegene, encoding nitrous oxide reductase, and comparison of the abundance of 16S rRNA,,, andgenes in soils[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72(8): 5181–5189

[19] 王曉輝. 生物炭對設(shè)施栽培土壤硝化和反硝化微生物群落的影響研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院大學(xué), 2013: 27–29 Wang X H. Effect of biochar on nitrifying and denitrifying communities in greenhouse soils[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2013: 27–29

[20] ?imek M, Kal?ík J. Carbon and nitrate utilization in soils: The effect of long-term fertilization on potential denitrification[J]. Geoderma, 1998, 83(3/4): 269–280

[21] ?imek M, Hopkins D W. Regulation of potential denitrification by soil pH in long-term fertilized arable soils[J]. Biology and Fertility of Soils, 1999, 30(1/2): 41–47

[22] Zhou X G, Guan S N, Wu F Z. Composition of soil microbial communities in the rhizosphere of cucumber cultivars with differing nitrogen acquisition efficiency[J]. Applied Soil Ecology, 2015, 95: 90–98

[23] Williams A, Davis A S, Ewing P M, et al. Precision control of soil nitrogen cycling via soil functional zone management[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016, 231: 291–295

[24] Ohunakin A O, Adebisi S O. Nitrogen use and assimilate partitioning ability for grain yield in some selected maize (L.) inbred lines genotypes[J]. American Journal of Experimental Agriculture, 2015, 5(2): 148–155

[25] Monneveux P, Zaidi P H, Sanchez C. Population density and low nitrogen affects yield-associated traits in tropical maize[J]. Crop Science, 2005, 45(2): 535–545

[26] Al-Naggar A M M, Shabana R A, Atta M M M, et al. Maize response to elevated plant density combined with lowered N-fertilizer rate is genotype-dependent[J]. The Crop Journal, 2015, 3(2): 96–109

[27] Boomsma C R, Santini J B, Tollenaar M, et al. Maize morphophysiological responses to intense crowding and low nitrogen availability: An analysis and review[J]. Agronomy Journal, 2009, 101(6): 1426–1452

[28] Wang W J, Dalal R C, Moody P W, et al. Relationships of soil respiration to microbial biomass, substrate availability and clay content[J]. Soil Biology Biochemistry, 2003, 35(2): 273–284

[29] Zeng F R, Chen S, Miao Y, et al. Changes of organic acid exudation and rhizosphere pH in rice plants under chromium stress[J]. Environmental Pollution, 2008, 155(2): 284–289

[30] Raut N, D?rsch P, Sitaula B K, et al. Soil acidification by intensified crop production in south Asia results in higher N2O/(N2O+N2) product ratios of denitrification[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 55: 104–112

[31] Yoshida M, Ishii S, Otsuka S, et al.-harboring denitrifiers are more responsive to denitrification-inducing conditions in rice paddy soil than-harboring bacteria[J]. Microbes and Environments, 2010, 25(1): 45–48

[32] Enwall K, Throb?ck I N, Stenberg M, et al. Soil resources influence spatial patterns of denitrifying communities at scales compatible with land management[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2010, 76(7): 2243–2250

[33] Ducey T F, Shriner A D, Hunt P G. Nitrification and denitrification gene abundances in swine wastewater anaerobic lagoons[J]. Journal of Environmental Quality, 2011, 40(2): 610–619

[34] Liu B B, M?rkved P T, Frosteg?rd ?, et al. Denitrification gene pools, transcription and kinetics of NO, N2O and N production as affected by soil pH[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2010, 72(3): 407–417

[35] Billings S A, Tiemann L K. Warming-induced enhancement of soil N2O efflux linked to distinct response times of genes driving N2O production and consumption[J]. Biogeochemistry, 2014, 119(1/3): 371–386

Effects of row spacing and maize variety on abundance and function of denitrifying bacterial flora in maize rhizosphere*

SONG He1, JIN Wenjun1, CHE Zhao1, CAO Wenchao2, DONG Zhaorong1, WANG Chengyu1**

(1. College of Agronomy, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Denitrification is a key pathway of nitrogen loss in the rhizosphere. It is unknown whether changes in variety and row spacing of crop have any impacts on denitrification in the rhizosphere. Thus this study compared the differences in abundance and function of denitrifiers in the rhizosphere of different maize varieties and row spacings. The aim of the study was to provide scientific basis for reducing rhizosphere denitrification losses and improving nitrogen use efficiency. Based on data from two independent field experiments, the study investigated the effects of five maize varieties (‘Xundan 20’, ‘Annong 8’, ‘Zhengdan 958’, ‘Pinyu 18’ and ‘Longping 206’) and four row spacings (20 cm, 30 cm, 40 cm and 50 cm) on denitrification capacity, abundance of denitrifiers, N2O/(N2O+N2) ratio and soil respiration in the rhizosphere using biochemical and molecular microbiological methods. Denitrification capacities in the rhizospheres of ‘Xundan 20’, ‘Annong 8’ and ‘Zhengdan 958’ were significantly lower than those in the rhizosphere of the other maize varieties. With decreasing row spacing, denitrification capacity in rhizosphere soil obviously increased. The abundances of-denitrifiers in the rhizospheres of ‘Longping 206’ and ‘Pinyu 18’ were significantly higher than those in the rhizospheres of the other maize varieties. The abundances of- and-denitrifiers in the rhizospheres of ‘Xundan 20’ and ‘Annong 8’ were the highest. In all the row spacings, 20 cm had the highest abundances of- and-denitrifiers. As for-denitrifiers, the most abundance was found in the 40 cm row spacing treatment. The change of variety had a certain impact on N2O/(N2O+N2) ratios (e.g. ‘Annong 8’ had the lowest ratio), but the effect of row spacing was no significant. Correlation analysis showed there was a significantly positive correlation between denitrification capacity and soil respiration or the abundance of-denitrifiers. But not significant correlation was found between denitrification capacity and the abundances ofor-denitrifiers. This suggested that differences in the abundances of-denitrifiers and organic carbon in the rhizosphere were the dominant factors causing the changes in denitrification capacity. Changes in variety and row spacing could affect denitrification of maize rhizosphere as well. The screening of varieties with low denitrification loss and the regulation of denitrification processes in the rhizosphere were effective ways of reducing rhizosphere denitrification loss and improving crop nitrogen use efficiency.

Maize; Variety; Row spacing; Rhizosphere; Denitrification capacity; Denitrifying bacterial flora; N2O/(N2O+N2) ratio

10.13930/j.cnki.cjea.160882

S158.3

A

1671-3990(2017)03-0391-09

2016-10-08 接受日期: 2016-11-23

* 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費(201503121–02)、國家自然科學(xué)基金(41301258, 31371566)和安徽省自然科學(xué)基金(1408085QC68)資助

* The study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503121–02), the National Natural Science Foundation of China (41301258, 31371566), and Anhui Provincial Natural Science Foundation (1408085QC68).

** Corresponding author, E-mail: wangjgcau@163.com

**通訊作者:王成雨, 主要研究方向為玉米高產(chǎn)栽培。E-mail: wangjgcau@163.com

宋賀, 研究方向為低碳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。E-mail: songhesonghe@foxmail.com

Oct. 8, 2016; accepted Nov. 23, 2016