Alternate wetting-drying enhances soil nitrogen availability by altering organic nitrogen partitioning in rice-microbe system

交替濕潤-干燥通過改變有機氮在水稻-微生物系統中的分配，提高了土壤氮的有效性

來源：Geoderma 424 (2022) 115993

 

摘要核心內容

 

本研究通過 根箱微宇宙實驗，結合 13C,1?N-甘氨酸標記 和 13C-PLFA技術，揭示了干濕交替灌溉（AWD）通過調控水稻-微生物系統中有機氮（ON）分配，提升土壤氮素有效性的機制。核心發現包括：

 

AWD改善根際環境：AWD顯著提高土壤溶解氧（DO）、微生物生物量及氮轉化酶活性，促進水稻生物量增加和氮利用指數（NUI）提升（表1）。

 

 

有機氮競爭格局：4.9-13.6%的外源甘氨酸被水稻直接吸收，4.4-11.2%被微生物同化；水稻與微生物對ON的競爭強度受氮肥水平調控（圖2）。

 

 

微生物群落響應：AWD增加根際革蘭氏陰性菌和真菌豐度，提高真菌:細菌（F:B）比值（圖4-5），增強土壤有機質礦化能力。

 

 

 

氮分配機制：AWD通過降低微生物對1?N-甘氨酸的攝取（尤其在N1/N2水平），促進水稻對礦化氮的吸收，優化氮素利用效率（圖3）。

 

 

研究目的

 

解析根際環境特征：探究AWD對根際氧環境、微生物活性及氮轉化酶的影響。

 

量化ON分配路徑：明確水稻與微生物對有機氮（甘氨酸）的直接吸收與礦化后吸收比例。

 

揭示微生物群落響應：分析AWD下功能微生物類群（如革蘭氏陰性菌、真菌）的適應性變化。

 

研究思路與技術路線

 

采用 雙因素設計（品種×灌溉）×三氮水平（N0/N1/N2） 的根箱實驗：

 

實驗設計：

 

水稻品種：日本晴（Nipponbare, Nip）和揚稻6號（Yangdao 6, YD6）。

 

灌溉模式：常規淹灌（CF） vs. 干濕交替（AWD）。

 

氮肥水平：零氮（N0）、中氮（N1: 180 kg ha?1）、高氮（N2: 270 kg ha?1）。

 

關鍵方法：

 

13C,1?N-甘氨酸標記：定量水稻與微生物對ON的吸收路徑（直接吸收 vs. 礦化后吸收）。

 

13C-PLFA分析：追蹤微生物群落結構變化（圖4）。

 

Unisense微電極：原位測定根際溶解氧（DO）剖面（方法部分）。

 

土壤生化指標：測定微生物生物量碳氮（MBC/MBN）、溶解有機氮（DON）、游離氨基酸（FAAs）及酶活性（脲酶、轉化酶等）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 水稻生長與氮利用數據（表1）

 

數據：

 

AWD使水稻生物量提升12-18%，NUI增加15-22%（N1水平最顯著）。

 

根際溶解氧（DO）：AWD較CF提高35%（Unisense電極測量）。

 

意義：證實AWD通過改善根際氧環境促進水稻生長，為節水灌溉提供理論依據。

 

2. 有機氮分配數據（圖2）

 

數據：

 

水稻直接吸收1?N-甘氨酸比例：Nip（4.9-10.3%），YD6（7.7-13.6%）。

 

微生物同化1?N-甘氨酸比例：4.4-11.2%（根際土壤）。

 

AWD降低微生物對甘氨酸的攝取（N1/N2水平降幅達30%），提升水稻礦化氮吸收。

 

意義：揭示水稻在ON競爭中的主動地位，顛覆“微生物主導ON利用”的傳統認知。

 

3. 微生物群落數據（圖4-6）

 

數據：

 

AWD增加革蘭氏陰性菌（如16:1ω7c）和真菌（18:2ω6c）豐度（13C-PLFA）。

 

F:B比值提升40-60%，表明AWD促進真菌主導的碳氮循環（圖5）。

 

意義：闡明微生物群落結構變化驅動ON礦化-固持周轉（MIT），增強土壤氮有效性。

 

4. 環境因子關聯分析（圖3）

 

數據：

 

水稻生物量與根際無機氮（NH??/NO??）呈正相關（R2=0.78）。

 

微生物ON攝取與土壤MBC、DO、FAAs顯著正相關。

 

意義：建立“AWD→根際氧環境→微生物活性→氮有效性→水稻生長”的因果鏈。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與創新應用

 

電極型號：丹麥Unisense氧微電極系統（MM-METER），搭配微操縱器。

 

測量場景：

 

根際DO剖面：在水稻培養21天后，測定根際與非根際土壤DO（距根表5mm內）。

 

動態響應：AWD處理在土壤水勢達-15 kPa時測量，CF處理維持3cm水層。

 

關鍵發現與機制解析

 

氧環境改善的核心證據：

 

AWD使根際DO均值達8.2 mg L?1，較CF（6.1 mg L?1）提高34%（方法部分）。

 

意義：直接量化AWD的“通氣效應”，解釋其促進好氧微生物活性的物理基礎。

 

氧-微生物-氮循環耦合：

 

DO與MBC（R2=0.62）、硝化速率（R2=0.71）顯著正相關（圖1, 圖3）。

 

 

意義：證實氧是調控硝化菌（如氨氧化菌）活性的關鍵因子，驅動NH??向NO??轉化。

 

方法學優勢：

 

毫米級分辨率捕捉根際氧梯度，克服傳統方法的空間局限性。

 

原位測量避免土樣擾動，真實反映水稻生長下的微環境動態。

 

研究意義

 

機制深度解析：

 

明確DO升高激活好氧微生物（如革蘭氏陰性菌），加速ON礦化，提升無機氮有效性。

 

技術應用價值：

 

為優化AWD灌溉參數（如落干強度、復水時機）提供實時監測工具。

 

農業實踐指導：

 

中氮水平（N1）下AWD效果最佳，平衡節水、增產與氮效率，減少高氮（N2）的環境風險。

 

核心結論

 

AWD提升氮有效性：通過增加根際氧含量，促進微生物活性和ON礦化，使土壤無機氮庫擴大25-40%。

 

水稻主導ON競爭：水稻直接吸收10%以上外源甘氨酸，且在AWD下通過抑制微生物攝取提升礦化氮利用。

 

微生物群落適配：AWD富集革蘭氏陰性菌和真菌，增強真菌主導的碳氮耦合循環（F:B比↑）。

 

品種差異：YD6較Nip更適應AWD，表現為更高的ON吸收效率和生物量響應。

 

應用價值

 

節水灌溉優化：推薦中氮水平（180 kg ha?1）下實施AWD，實現節水15-20%的同時增產12-18%。

 

氮肥減施依據：AWD減少氮肥需求，降低N2O排放風險（通過促進完全硝化）。

 

微生物調控策略：通過水分管理定向培育有益微生物群落（如真菌），提升土壤健康。

 

總結：本研究通過Unisense微電極等技術創新，揭示AWD通過“氧環境-微生物-氮轉化”級聯效應優化ON分配，為水稻綠色生產提供理論和技術支撐。