耕作和覆膜对马铃薯根际土壤氮循环功能微生物的影响

摘 要 针对甘肃陇东地区不同耕作方式和地膜覆盖引起的耕地质量和马铃薯产量差异等问题，利用甘肃省农业科学院灵台马铃薯大田试验基地，探索耕作方式（立式深旋耕作、传统耕作）和覆盖（地膜覆盖、不覆盖）对马铃薯农田根际土壤氮循环功能微生物的影响。结果表明：与传统耕作相比，立式深旋耕作提高amoA-AOA、nifH_a基因丰度16.8%和46.7%，提高土壤NH+4-N、土壤含水量、土壤≥2 mm团聚体占比5.9%、36.4%和60.6%。与不覆膜相比，覆膜提高amoA-AOA、amoA-AOB、nirK、nosZ和nifH_a基因丰度" 64.5%、47.6%、41.6%、30.9%和170.5%，提高土壤NO-3-N含量、土壤含水量和土壤温度12.6%、30.3%和18.9%；降低速效磷（AK）含量、速效钾含量31.4%和11.4%。立式深旋耕作覆膜较其他处理提高NH+4-N含量、土壤含水量和土壤温度3.9%～7.9%、29.5%～78.1%和1.7%～20.9%，降低AK、速效钾和总团聚体含量27.8%～38.7%、0.6%～17.9%和0.7%～33.4%。冗余分析表明，所有功能基因与土壤温度、土" 壤≥2 mm团聚体、土壤AK和土壤含水量显著正相关，与土壤pH、土壤有机碳显著负相关。amoA-AOA、amoA-AOB和nifH_a与AK正相关，nirK基因与AK负相关。除此之外，土壤温度和土壤速效磷是影响氮循环功能基因的关键因子。

关键词 耕作；地膜覆盖；氮循环；功能基因；土壤理化性质

氮循环是作物吸收氮气的重要途经，通常由固氮、铵同化、氨化、硝化作用、硝酸盐还原以及反硝化等6种化合物转化反应而成^[1]。有些作用如生物固氮、硝化作用和反硝化作用等由特定的微生物功能基因所调控。硝化作用的过程一般分为两步，且均在有氧条件下完成，首先是将铵态氮氧化为亚硝态氮，然后将亚硝态氮氧化为硝态氮，这两步也被称为氨氧化和亚硝酸盐氧化^[2-4]。氨氧化过程主要是由氨氧化细菌（amoA-AOB）和氨氧化古菌（amoA-AOA）完成，其含有调控氨单加氧酶合成的amoA基因^[5]。反硝化过程是微生物将硝酸盐还原为气态氮化物和氮气的过程，其中参与反硝化的功能基因主要有nirK、nosZ等功能基因调控的一系列微生物参与。固氮作用的本质是氮气转化成氨的作用，其中参与此过程的游离微生物主要有固氮酶菌（nirK）等功能基因调控完成。由此可见，氮循环过程是由微生物催化的生化反应过程，其中功能基因起着重要作用，是土壤环境的驱动者。

土壤功能微生物受耕作方式、气候、施肥和覆盖方式等多种因素影响^[6]，耕作作为一项传统的改变土壤结构的物理措施，主要影响土壤结构从而改变土壤的水、热、气等理化性质，土壤理化性质方面的改变会直接影响土壤功能微生物多样性和丰度^[7-10]。刘洪等^[11]研究表明，深旋、深耕可通过深度扰动土壤结构，使更多有效土壤矿物养分得以释放，进而改变土壤功能微生物丰度。土壤微生物是探测土壤环境的重要指标，其多样性可以定义为土壤生命的丰富度，也反映生态胁迫对微生物的影响程度，尤其土壤功能微生物作为土壤功能的执行者是近年研究的热门话题^[12-13]。地膜覆盖作为农田系统中主要的覆盖方式，具有保墒保温等优点而被广泛使用，地膜覆盖通常会改变土壤水、热、气等土壤性质，能够丰富土壤功能微生物多样性，进而影响土壤氮循环过程^[14]。中国目前研究土壤功能基因集中在氮转化、氮排放为主的硝化、反硝化和固氮途径方面，大多数主要集中在功能基因丰度层面，对于物种差异研究较少。基于地膜覆盖的研究主要集中于水热增产效应等方面，对于地膜覆盖的土壤氮循环所涉及的功能微生物的分析较缺乏文献支撑^[15]。因此，本试验通过设置4种不同处理来探究耕作方式和地膜覆盖与氮循环功能微生物之间的相关性，以丰富现有研究下农艺措施对土壤氮循环关键功能基因的作用机理。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验始于2023年3月，地点位于中国甘肃省平凉市灵台县什字镇（107°62′ E，35°06′ N），该地区气候类型为温带半湿润季风气候，年平均气温10.7 ℃左右，年平均降雨量650.7 mm左右，土壤类型为黄绵土。

1.2 样品采集

在8月底马铃薯收获期取根际土壤送到生物公司测定功能基因。土样收集采用5点取样法，3次重复；取1～30 cm深度土壤混匀后液氮速冻" （2 h）后放入-80 ℃冰箱冷藏，冷藏时间不超过" 3 d，干冰运输。试验采用随机区组设计，设置4个处理（表1），3次重复。供试材料为早熟马铃薯，品种为‘荷兰15号’，试验小区面积14 m×" 4.8 m=67.2 m²，种植密度4 000株/667m²，覆膜和露地均采用垄上微沟种植方式；每组处理施肥量保持一致，均为N 150 kg/hm²，P2O5 60kg/hm²，K2O 75 kg/hm²。

1.3 土壤理化指标测定

土壤含水量用环刀法测定；土壤pH用电位法（土水比1∶2.5）测定；土壤有机碳使用TOC-VCPH/CPN分析仪测定；土壤全氮采用元素分析仪（Elementar Various EL Cube，德国）测定；土壤有机质采用重铬酸盐氧化法测定；土壤铵态氮（NH+4-N）、硝态氮（NO-3-N）采用流动注射分析仪（Skalar San++，荷兰）测定；土壤总团聚体采用水悬挂湿筛检法测定（称取土量为50 g）；土壤温度采用地温计测定。

1.4 功能基因测定

功能基因多样性测定过程：称取鲜土0.5 g，采用OMEGA Soil DNA Kit（D5625-01）（Omega Bio-Tek， Norcross， GA， USA）试剂盒提取核酸。利用紫外分光光度计对DNA进行定量。利用Illumina公司的TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit进行建库。利用BECKMAN AMPure XP beads纯化PCR体系。用Agilent High Sensitivity DNA Kit对文库做2100质检，利用 Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit 在 Promega QuantiFluor 对文库进行定量， 采用Illumina NovaSeq PE250进行双端测序，使用Genescloud软件完成分析。引物信息见表2。

1.5 绝对定量PCR

采用Omega，cat M5635-02提取核酸，选择任一样品和目的基因引物进行PCR，扩增结束后进行琼脂糖凝胶电泳，选择目的片段并切下放置2 mL离心管中，1.5%琼脂糖凝胶电泳进行纯化。测序PCR反应选用的试剂为ABI公司的BDT3.1测序试剂盒（BigDyeTerminator v3.1）， AOA-amoA、AOB-amoA、nirK、nosZ 和nifH_a基因的反应体系：1 μL" DNA模板，0.8 μL上游引物0.8 μL下游引物。

1.6 数据处理

数据分析采用SPSS 2021单因素（ANOVA）检验，采用（LSD）法和邓肯氏法进行多重比较，绘图采用Origin作图。基于欧式距离矩阵，采用主成分分析（PCA）和置比较不同处理之间整体氮循环功能基因重复性的差异。利用Ｒ软件中的Canoco" 5软件进行冗余分析（RDA），以揭示土壤理化性质与氮循环相关功能基因的关系。

2 结果与分析

2.1 不同耕作和覆膜对土壤理化性质的影响

由表3可知，与传统耕作相比，立式深旋耕作提高NH+4-N、SA和WCS含量5.9%、60.6%和36.4%；降低NO-3-N、AP和AK含量2.8%、" 8.8%和9.5%。与不覆膜相比，覆膜增加土壤NO-3-N含量、WCS和ST" 12.6%、30.3%和" 18.9%，降低速效磷含量、速效钾含量23.9%和10.2%。VTP较VTB、TTP、TTB处理显著增加WCS和SA含量29.5%、25.6%、115.5%和11.6%、63.1%、76.1%；VTP较VTB、TTP和TTB处理显著降低土壤速效磷含量38.7%、" 27.8%和33.4%。

2.2 氮循环功能基因的PCA分析

由氮循环功能基因主成分PCA分析（图1）可知，不同处理间氮循环功能基因分别处于4个明显维度，说明组内样品重复性好，组间具有差异分析的统计学意义，4个处理之间功能基因丰度整体发生显著变化 ，横坐标和纵坐标为PCA1轴与 PCA2轴，其值分别为87.9% 和9.4%，分别表示氮循环功能基因在不同处理间的物种整体分布和组内样品相似度。两点在坐标轴上的投影距离越近，表明这两个样本间的物种丰度组成在相应维度中越相似。图1的横、纵坐标分别表示功能基因在不同处理中的差异贡献程度；横纵坐标轴括号内的百分数分别为所有样本在该维度上的物种丰度组成差异占总差异的比值。图 1 所示，4组处理中，VTP处理与TTP处理在PCA1水平处于同一层面；VTP处理在PCA2水平和VTB处理处于同一层面；TTP处理在PCA1水平上与VTP处理在同一层面，TTP处理在PCA2水平上和TTB处理在同一层面。

2.3 耕作和覆膜对氮循环功能基因丰度的影响

2.3.1 氮循环功能基因OTU分析 图2为氮循环功能基因OTU韦恩图，OTU是微生物分类的重要指标，一般按照物种序列相似度97%对菌进行归类，其值大小表示物种多样性和丰度。由图2可知，amoA-AOA基因在4个处理中共有的OTU为36个，在VTP处理中独有OTU个数为54个。amoA-AOB基因在4个处理中共有OTU个数为47个，在4个处理中独有OTU个数没有显著差异。nirK基因在4个处理中共有OTU为71个，在VTP处理和VTB处理中独有OTU没有显著差异，但与其他两组相比有显著性差异（P＜0.05）。nosZ基因在4个处理中共有OTU为87个，在TTP和TTB处理中独有OTU为79个，在VTB处理独有OTU数量最高为88个，VTB处理与其他3组相比差异显著（P＜0.05）。nifH_a基因在4个处理中共有OTU为228个，在VTP处理中独有OTU最高为35个，VTP与其他3组处理存在显著差异" （P＜0.05）。由此可知，耕作和覆膜能够显著影响氮循环功能基因OTU数量。

2.3.2 氮循环功能基因指数分析 由图3可知，在Chao 1指数水平上，nifH_a基因指数最小，nirK基因指数最大。amoA-AOA基因在Chao 1指数水平上，VTP处理最大为492.67，相较于TTB处理增长86.1%，相对于VTB和TTP处理分别增长24.1%和48.4%且均达到差异显著水平（P＜0.05）。amoA-AOB基因在Chao 1指数水平上，VTP处理相较于TTB处理增长" 86.5%，相较于TTP处理增加21.8%且达到差异显著水平（P＜0.05）。在Chao 1指数水平上，nirK基因在VTP处理中指数最高为2 658.84，在TTB处理中指数最低为" 2 173.85，相较于传统耕作，立式深旋耕耕作处理指数更高且与传统耕作差异显著。nosZ基因Chao 1指数在VTP处理中最高为2 292.78，在VTB处理中最低为" 1 251.8，与VTB和TTB处理相比，VTP处理Chao 1指数分别增长83.2%和60.8%，差异显著。在Shannon指数水平上，amoA-AOA基因在VTP处理中最大为5.19，与VTB和TTB处理相比差异显著（P＜0.05），且VTP处理相较于VTB处理增长63.6%，相较于TTB处理增长66.9%，而相较于TTP处理无显著差异。amoA-AOB基因Shannon指数在VTP处理中最大为5.4 在TTP处理中最小为4.57，TTP处理相较于其他3个处理差异显著（P＜" 0.05）。nifH_a基因Shannon指数在TTP处理中最大为4.8 在TTB处理中最小为2.5 VTP、TTP处理与VTB和TTB处理之间存在显著差异（P＜" 0.05）。此外，与传统耕作处理相比，立式深旋耕作处理在nirK基因上Shannon指数有显著差异（P＜0.05）。

2.3.3 氮循环功能基因丰度分析 图4显示，VTP处理所有功能基因丰度均高于其他处理，但在amoA-AOA、amoA-AOB、nirK、nosZ功能基因上面相对于TTP处理无显著性差异，而相较于VTB和TTB处理均达到差异显著水平（P＜" 0.05），而在nifH_a基因上VTP处理相较于其他处理均达到显著性差异（P＜0.05）。此外，所有处理中硝化功能基因 AOA-amoA、AOB-amoA基因丰度整体更高，其丰度在VTP处理中最高分别达7.62×107" μL^-1和9.26×107" μL^- nifH_a基因丰度在不同处理中相较于其他4个功能基因丰度最低为0.01×10⁷～0.061×107μL^-1。在固氮酶nifH_a功能基因方面，VTP处理nifH_a基因丰度最高且和其他处理相比都存在显著差异（P＜0.05）。

2.4 氮循环功能基因物种丰度分析

图5为amoA-AOA、amoA-AOB、nirK、nosZ和nifH_a基因在属水平上的物种相对丰度，纵坐标为每个基因注释到的丰度前10的微生物物种。其中amoA-AOA基因在属水平总共注释到5种物种，主要以亚硝化球菌属（Nitrososphaera）古菌属（Nitrosocosmicus）和细小亚硝化菌属（Nitrosotenuis）为主，其中亚硝化球菌属（Nitrososphaera）在所有处理中所占比重最大为37%～62%。amoA-AOB在属水平上总共注释到5种物种，主要以亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）、硝化螺菌属（Nitrosospira）和亚硝化单孢菌属（Nitrosomonas）等为主，其中亚硝化螺菌属（Nitrosospira）在所有处理中占比最大为" 21%～36%。nirK基因注释到属水平前10物种主要以红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）、根瘤菌属（Pseudorhizobium）、中华根瘤菌（Sinorhizobium）、氨基杆菌（Aminobacter）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）等物种为主，其中红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）在所有处理中占比最大为14%～26%。nosZ基因注释到属水平的丰度前10物种主要以芽单胞菌属（Gemmatimonas）、红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）、固氮螺菌属（Azospirillum）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）等为主，其中芽单胞菌属（Gemmatimonas）在所有处理中占比最大为15%～21%。nifH_a固氮酶基因注释到属水平前10的物种主要有地杆菌属（Citrifermentans）、氮氢单胞菌属（Azohydromonas）、固氮菌属（Azotobacter）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、除硫单胞菌属（Desulfuromonas）、类芽孢杆菌属 （Paenibacillus） 等，其中除硫单胞菌属（Desulfuromonas）在VTP和VTB处理中最大占比均为24%，地杆菌属（Citrifermentans）在TTP和TTB处理中占比最大为33%和22%。

2.5 氮循环功能基因物种差异分析

图6分别为氮循环功能基因在属水平上的物种差异，amoA-AOA基因在属水平总共注释到5种物种，在未被分类的其他菌属上4组无显著差异外，在其他菌属上VTP处理与其他处理相比存在极显著差异（P＜0.001）。amoA-AOB基因在物种亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）上VTP处理与其他处理存在极显著差异（P＜0.001），在亚硝化球菌属（Nitrosococcus）上VTP和TTP处理与其他两组处理存在极显著差异（P＜0.001），在未被分类菌属上VTP和VTB与TTP处理存在显著性差异" （P＜0.05），与TTB处理相比存在极显著差异（P＜0.001）。在其他菌属上VTP处理与TTP处理存在显著性差异（P＜0.01）；VTP与TTB处理存在极显著差异（P＜0.001）。nirK基因在属水平上总共注释到76种菌，其中丰度前5物种中氨基杆菌属（Aminobacter）、包西氏菌属（Bosea）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、中慢生根瘤菌属（Mesorhizobium）以及枝面菌属（Mycoplana）上面VTP处理与其他3组相比存在极显著差异" （P＜0.001），在包西氏菌属（Bosea）上VTP、VTB处理和TTP、TTB处理存在极显著差异（P＜" 0.001）。nosZ基因在属水平上总共注释到40种菌，其中丰度前5的菌属慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）上VTP、VTB与TTP、TTB相比存在极显著差异，在红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）上VTP与其他处理相比存在极显著差异，在古菌属（Tardiphaga）上VTP与VTB之间无显著差异外，其他菌属上VTP处理与其他处理相比均存在显著性差异。nifH_a基因在属水平上总共注释到61种菌，在慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）上VTP和TTP、TTB相比存在显著性差异，在除硫单胞菌属（Desulfuromonas）上VTP、VTB与TTP、TTB处理之间相比存在显著性差异，在艾德昂菌属（Ideonella）上其他组与VTB相比均存在显著性差异，在溶杆菌属（Citrifermentans）上VTP和TTP与其他两组相比存在极显著差异（P＜0.001），在短杆菌（Brevibacterium）和斯克尔曼氏菌属（Skermanella）上VTP与其他处理相比均存在极显著差异（P＜0.001）。由此可知，耕作和覆膜可显著影响氮循环功能基因物种多样性，相较于其他处理，立式深旋耕作覆膜氮循环功能基因物种多样性更高。

2.6 氮循环功能基因与土壤理化性质的相关性分析

图7为氮循环功能基因与土壤理化因子的相关性分析，由图可知，所有功能基因与ST、SA、AP和WCS显著正相关，与土壤pH、SOC显著负相关。amoA-AOA、amoA-AOB和nifH_a与AK正相关，nirK基因与AK负相关。除此以外，土壤团聚体、土壤速效磷、土壤温度对氮循环功能基因的影响更加明显。

3 讨" 论

土壤功能微生物易受耕作、覆盖以及施肥等农业措施影响，已有多篇文献报道不同耕作方式、覆盖、施肥等农业措施对土壤氮循环功能基因的影响，其结果不尽相同。王蓥燕等^[20]认为化肥量配有机肥减施可显著降低nirS和nirK功能基因丰度，同时显著提高nosZ和phoD功能基因丰度，与此同时，功能基因物种多样性没有显著变化。王倩等^[21]通过免耕和深耕（40 cm）+秸秆还田发现，深耕+秸秆还田显著影响土壤功能基因amoA-AOA、amo-AOB和nosZ功能基因物种多样性和丰度，即耕作方式和化肥施用均可显著影响土壤氮循环功能基因物种多样性和丰度。本次研究结果表明，与TTB处理相比，VTP处理显著增加amoA-AOA、amo-AOB、nosZ、nifH_a功能基因丰度，这与王倩等^[21]的研究结果相符。郭俊杰等^[22]通过不同施肥方式发现单施化肥能够显著增加amoA-AOB、nosZ和nifH_a功能基因丰度，化肥结合秸秆覆盖显著增加土壤中amoA-AOB、nirK、narG、nosZ和nifH_a功能基因丰度，化肥+畜禽有机肥能够显著增加土壤所有氮循环功能基因丰度，由此可见，不同施肥方式能够显著影响氮循环功能基因丰度。高燕等^[23]通过不同耕作方式发现免耕显著增加土壤氮循环nosZ、nifH_a和ureC功能基因丰度，并且耕作方式通过直接影响土壤理化性状进而影响土壤氮循环功能基因丰度。李彤等^[24]通过不同耕作方式发现，深松、深旋均能改变土壤水分和土壤团粒结构，土壤水分显著影响土壤amoA-AOA丰度，土壤团粒显著影响土壤nosZ基因丰度，本次试验结果发现，与TTB处理相比，VTB处理显著增加土壤含水量，显著降低土壤团聚体。由相关性热图可知，amoA-AOA基因与土壤含水量呈显著正相关，nosZ基因与土壤团聚体呈显著负相关。

深松、深旋结合地膜覆盖在提高土壤功能微生物多样性和丰度上均有显著影响，深松+地膜覆盖和深旋+地膜覆盖处理下的土壤硝化功能amoA-AOA、amoA-AOB基因丰度均显著高于传统耕作处理^[25]，这与本次试验结果相反，即与TTP处理相比，VTP处理在amoA-AOA、amoA-AOB、nirK、nosZ功能基因丰度上没有显著差异，相较于TTP处理，VTP处理显著增加nosZ功能基因丰度，出现这种结果可能与耕作深度以及地区环境有关^[26]。覆盖通常会影响土壤水分、土壤温度和土壤透气性，不同的覆盖方式对土壤水分、土壤温度和土壤透气性影响程度不同，通常地膜覆盖因其良好的保墒保温以及成本低廉而被大量使用^[27-28]。侯慧芝等^[29]通过立式深旋结合地膜覆盖试验发现，立式深旋结合地膜覆盖可以增加作物耗水量，减少土壤含水量，促进作物速效钾和速效磷吸收和地上部分生长，本次试验结果显示，VTP处理的土壤含水量显著高于VTB处理，TTP处理的含水量显著高于TTB处理，这可能与地膜保墒保水作用有关。深耕0～40 cm和深旋0～60 cm均可显著降低土壤pH且提高土壤NO-3-N含量，pH与土壤氮循环功能基因显著负相关，NO-3-N与氮循环功能基因显著正相关^[30-31]，这与本次试验结果有部分相同，既VTP处理NO-3-N含量显著高于TTB处理，但在土壤pH方面没有显著差异，这可能与地区土壤性质有关。深旋、深松结合地膜覆盖可显著提高土壤0～30 cm的土壤SOC和NO-3-N、NH+4-N含量和土壤有效积温，降低团聚体和有机质^[32-34]，肖力婷等^[35]通过覆盖试验发现土壤氮循环功能基因丰度主要受土壤全氮、土壤有机质、土壤速效磷和土壤速效磷的影响，本次研究结果表明，氮循环功能基因与土壤全氮、土壤有机质、土壤速效磷和土壤速效磷含量呈显著正相关，与肖力婷等^[35]的研究结果相符。

耕作方式和地膜覆盖均可显著影响氮循环功能基因丰度和物种多样性，其作用过程主要是因为耕作方式和地膜覆盖改变了土壤水分、养分、氧气、pH、温度等土壤理化性质，进而对氮循环功能基因产生影响^[36-38]。而土壤温度、土壤速效磷、土壤有机质和土壤团聚体是影响土壤氮循环功能基因丰度^[39]的主要因素。

4 结" 论

立式深旋耕作显著提高amoA-AOA、nifH_a基因丰度，显著提高土壤≥2 mm团聚体占比和土壤含水量。地膜覆盖显著提高amoA-AOA、amoA-AOB、nirK、nosZ和nifH_a基因丰度，显著提高土壤硝态氮含量、土壤含水量和土壤温度；显著降低土壤速效磷、速效钾含量。立式深旋耕作覆膜较其他处理提高NH+4-N含量、土壤含水量和土壤温度3.9%～7.9%、29.5%～78.1%和" 1.7%～20.9%，降低速效磷、速效钾和总团聚体含量27.8%～38.7%、0.6%～17.9%和0.7%～33.4%。土壤含水量与amoA-AOB、nirK、nosZ和nifH_a基因正相关，土壤硝态氮、速效磷、土壤温度和土壤≥2 mm团聚体与所有氮循环功能基因正相关；土壤pH、土壤有机碳与所有氮循环功能基因负相关。除此之外，土壤温度和土壤速效磷是影响氮循环功能基因物种差异的主要" 因素。

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Effects of Tillage and Mulching on Nitrogen Cycling Functional Microbes in the Rhizosphere Soil of Potatoes

WEI Yanxiong ²，ZHANG Xucheng ^2，3，4，MA Mingsheng^2，3，4，YIN Jiade^2，3，4，

HOU Huizhi^2，3，4，ZHAO Qizhi¹ and XIE Junhong¹

（1.College of Agronomy， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China; 2.Key Laboratory of Green and

Low-carbon Agriculture for Northwest Arid Regions， Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Lanzhou 730070，

China; 3.Institute of Dryland Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou 730070， China;

4.Key Laboratory of Efficient Water Utilization in Dryland Farming Areas of Gansu Province，Lanzhou 730070， China）

Abstract To address the differences in cultivated land quality and potato yield caused by different tillage methods and plastic mulching in the Longdong region of Gansu， we conducted an experiment at the Lingtai Potato Field Experimental Base of the Gansu Academy of Agricultural Sciences.The study investigated the effects of tillage methods （vertical deep rotary tillage， traditional tillage） and mulching （plastic mulching， no mulching） on nitrogen cycling functional microbes in the rhizosphere soil of potato fields.The results showed that compared to traditional tillage， vertical deep rotary tillage increased the abundance of amoA-AOA and nifH_a" genes by 16.8% and 46.7%， respectively， and enhanced soil NH+4-N， soil moisture content， and the proportion of soil aggregates ≥2 mm by 5.9%， 36.4%， and 60.6%， respectively.Compared to no mulching， plastic mulching increased the abundance of amoA-AOA， amoA-AOB， nirK， nosZ， and nifH_a" genes by 64.5%， 47.6%， 41.6%，30.9%， and 170.5%， respectively.It increased soil NO-3-N content， soil moisture content， and soil temperature by 12.6%， 30.3%， and 18.9%， respectively， while reducing available phosphorus and potassium（AK） contents by 31.4% and 11.4%， respectively.Vertical deep rotary tillage with mulching increased NH+4-N content， soil moisture content， and soil temperature by 3.9%-7.9%，29.5%-78.1%， and 1.7%-20.9%， respectively.It also reduced（AK）， available potassium content， and total aggregate content by 27.8%-38.7%， 0.6%-17.9%， and 0.7%-33.4%， respectively.Redundancy analysis indicated that all functional genes had significantly positive correlation with soil temperature， soil aggregates ≥2 mm， AK， and soil moisture content， while showing significant negative correlations with soil pH and organic carbon.The amoA-AOA， amoA-AOB， and nifH_a" genes were positively correlated with" AK， whereasnbsp; the nirK gene was negatively correlated with AK.In addition， soil temperature and available phosphorus were identified as key factors influencing nitrogen cycling functional genes.

Key words Tillage; Plastic mulching; Nitrogen cycle; Functional genes; Soil physicochemical properties

Received" 2024-03-15 Returned 2024-04-15

Foundation item The National Key Research and Development Program （No.2021YFD1900700）;Science and Technology Plan of Gansu Province （No.23JRRA1340， No.22JR5RA763）; Support Project of Gansu Provincial Department of Agriculture and Rural Affairs （No.KJZC-2023-5）;Research Project of Gansu Academy of Agricultural Sciences（No.2023GAAS05， No.2023GAAS20）.

First author WEI Yanxiong male， masterstudent.Research area：farming system and crop cultivation.E-mail：1454031601@qq.com

Correspondingauthor ZHANG Xucheng，male， research fellow.Research area：physiological ecology and cultivation of dryland crops.E-mail：gszhangxuch@163.com

XIE Junhong male， research fellow.Research area：dryland agriculture.E-mail：xiejh@gsau.edu.cn

（责任编辑：史亚歌 Responsible editor：SHI Yage）