Nitrogen fertilization and soil nitrogen cycling: Unraveling the links among multiple environmental factors, functional genes, and transformation rates
- L. Du
- H. Zhong
- X. Guo
- H. Li
- J. Xia
- Q. Chen
Resumo
Os aportes antropogênicos de nitrogênio (N) influenciam substancialmente o ciclo do N nos ecossistemas agrícolas. No entanto, as potenciais ligações entre vários fatores ambientais, genes funcionais do nitrogênio e taxas de transformação sob fertilização com N permanecem pouco compreendidas. Aqui, conduzimos um experimento de campo de cinco anos e coletamos 54 amostras de solo de três sondagens de 0–4 m em diferentes tratamentos: controle, adição de N (fertilizante nitrogenado) e adição de NPK (aplicação combinada de fertilizantes nitrogenados, fosfatados e potássicos). Nossos resultados revelaram variações pronunciadas nos parâmetros físico-químicos do solo, concentrações de metais e níveis de antibióticos sob os tratamentos N e NPK. Essas alterações induziram mudanças significativas nas comunidades bacterianas e fúngicas, alteraram a abundância e composição dos Genes Funcionais do Nitrogênio (GFNs), e aumentaram muito as taxas dos processos de redução de nitrato. Notavelmente, nutrientes, antibióticos e bactérias exerceram uma influência mais pronunciada sobre os GFNs e a redução de nitrato sob o tratamento com N, enquanto nutrientes, metais, bactérias e fungos tiveram um impacto significativo sob o tratamento com NPK. Além disso, estabelecemos correlações multidimensionais entre os perfis dos genes de redução de nitrato e as taxas de atividade sob os tratamentos N e NPK, contrastando com a ausência de relações significativas no tratamento controle. Essas descobertas elucidam as intrincadas relações entre a genética microbiana e as funções do ecossistema no ecossistema agrícola, o que é de significância para prever e gerenciar os processos metabólicos de forma eficaz.
Abstract
Anthropogenic nitrogen (N) inputs substantially influence the N cycle in agricultural ecosystems. However, the potential links among various environmental factors, nitrogen functional genes, and transformation rates under N fertilization remain poorly understood. Here, we conducted a five-year field experiment and collected 54 soil samples from three 0–4 m boreholes across different treatments: control, N-addition (nitrogen fertilizer) and NPK-addition (combined application of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers) treatments. Our results revealed pronounced variations in soil physiochemical parameters, metal concentrations and antibiotic levels under both N and NPK treatments. These alternations induced significant shifts in bacterial and fungal communities, altered NFG abundance and composition, and greatly enhanced rates of nitrate reduction processes. Notably, nutrients, antibiotics and bacteria exerted a more pronounced influence on NFGs and nitrate reduction under N treatment, whereas nutrients, metals, bacteria and fungi had a significant impact under NPK treatment. Furthermore, we established multidimensional correlations between nitrate reduction gene profiles and the activity rates under N and NPK treatments, contrasting with the absence of significant relationships in the control treatment. These findings shed light on the intricate relationships between microbial genetics and ecosystem functions in agricultural ecosystem, which is of significance for predicting and managing metabolic processes effectively.
