農(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生和還原及相關(guān)功能微生物對(duì)溫度及施肥的響應(yīng).pdf

1、N2O是一種重要的溫室氣體且對(duì)大氣臭氧層具有破壞作用。農(nóng)田土壤是主要的N2O釋放來(lái)源，其主要源于大量施用無(wú)機(jī)氮肥和動(dòng)物糞肥，因此，關(guān)于施肥對(duì)農(nóng)田土壤N2O釋放和還原影響的研究受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。在全球氣候變暖的背景下，溫度變化對(duì)N2O釋放和還原的影響受到了更多的關(guān)注。大量研究表明不同土壤類(lèi)型和施肥處理間N2O釋放對(duì)溫度變化響應(yīng)的敏感程度存在著很大的差異，這表現(xiàn)在表征土壤N2O釋放溫度敏感性的指數(shù)Q10存在較大的時(shí)空變異這一現(xiàn)象上，但

2、其中涉及的具體微生物機(jī)制并不明確。N2O的釋放是產(chǎn)生和還原過(guò)程的凈結(jié)果，所以揭示土壤間N2O釋放溫度敏感性的差異機(jī)制需要同時(shí)考慮溫度對(duì)產(chǎn)生和還原過(guò)程的影響。
　　采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)本研究測(cè)定了3種土壤類(lèi)型處于不同施肥處理和溫度下的N2O凈釋放，結(jié)合乙炔抑制法來(lái)區(qū)分產(chǎn)生和還原途徑，利用T-RFLP和實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)(Q-PCR)來(lái)分析執(zhí)行N2O產(chǎn)生和還原的相關(guān)功能微生物的群落結(jié)構(gòu)和種群豐度，以揭示導(dǎo)致農(nóng)田土壤不同施肥處理間Q10

3、差異的微生物機(jī)制。
　　本研究由3個(gè)試驗(yàn)組成。試驗(yàn)Ⅰ選用經(jīng)不同施肥措施處理的由紅壤發(fā)育的福建水稻土（不施肥對(duì)照、常規(guī)施肥、優(yōu)化施用化學(xué)肥料、增量氮施肥處理和優(yōu)化施用化學(xué)肥料結(jié)合秸稈還田），甘肅的黃綿土（不施肥對(duì)照、低氮處理、優(yōu)化施氮處理和高氮處理）和江蘇由下屬黃土發(fā)育的水稻土（不施肥對(duì)照、單施化學(xué)肥料、有機(jī)糞肥和化學(xué)肥料混施與化學(xué)肥料結(jié)合秸稈還田）作為供試材料，通過(guò)預(yù)培養(yǎng)步驟來(lái)降低土壤間底物濃度的差異對(duì)N2O釋放Q10的影響，研究

4、供試土壤在15，25和35℃培養(yǎng)條件下N2O的累積凈釋放。結(jié)果表明，施肥和溫度處理及兩者之間的交互作用對(duì)N2O的凈釋放皆有著顯著地影響;對(duì)Q10的計(jì)算表明，供試土壤的Q10具有分布范圍狹窄和小于理論值的特點(diǎn)，這表明土壤中代謝底物的濃度是控制土壤N2O釋放溫度敏感性的關(guān)鍵步驟。不同施肥對(duì)Q10的影響具有溫度范圍，施肥處理類(lèi)型和土壤類(lèi)型的依賴(lài)性，其表現(xiàn)在當(dāng)供試土壤中單施無(wú)機(jī)氮肥大于300 kg ha-1year-1時(shí)25～35℃范圍的Q10

5、顯著大于CK。
　　基于試驗(yàn)Ⅰ的結(jié)果，試驗(yàn)Ⅱ?qū)υ囼?yàn)Ⅰ中3種土壤類(lèi)型中施N量超過(guò)300 kg ha-1year-1且施氮量相近的無(wú)機(jī)肥處理及不施肥處理的培養(yǎng)樣品作為試驗(yàn)材料，采用T-RFLP和實(shí)時(shí)熒光向量PCR技術(shù)(Q-PCR)分析了氨氧化細(xì)菌(AOB)，氨氧化古菌(AOA)，nitS-型和nirK-型反硝化菌等執(zhí)行N2O釋放的相關(guān)功能微生物的種群結(jié)構(gòu)和豐度。T-RFLP分析結(jié)果顯示，除甘肅的AOA外，施肥顯著影響了上述功能微生物的

6、群落結(jié)構(gòu)，溫度僅顯著影響了福建的AOA和nitS-反硝化菌及甘肅nirS-型反硝化菌的群落結(jié)構(gòu)。Q-PCR的測(cè)定結(jié)果顯示，AOA的種群豐度在所有土壤中皆隨溫度的升高顯著增加;而無(wú)機(jī)肥處理則顯著提高了所有供試土壤中AOB的種群豐度;施肥和溫度效應(yīng)對(duì)nirK-和nitS-型反硝化菌的種群結(jié)構(gòu)和豐度的影響則表現(xiàn)出土壤類(lèi)型的特異性。相關(guān)性分析表明，福建水稻土和甘肅黃綿土中AOA種群豐度變化及福建和江蘇水稻土中AOA的群落結(jié)構(gòu)變化與N2O凈釋放顯

7、著正相關(guān)，這表明AOA對(duì)N2O釋放可能有著重要的貢獻(xiàn);與福建水稻土和甘肅黃綿土不同，江蘇水稻土的N2O累積凈釋放與可溶性有機(jī)碳(DOC)，可溶性有機(jī)氮(DON)和硝態(tài)氮的含量變化高度相關(guān)，這表明異養(yǎng)氨氧化作用可能為該土壤類(lèi)型中重要的N2O釋放來(lái)源。
　　試驗(yàn)Ⅲ進(jìn)一步選擇N2O釋放溫度敏感性最高的江蘇水稻土作為供試材料，采用乙炔抑制法（0Pa，10Pa和10kPa乙炔）來(lái)區(qū)分N2O產(chǎn)生和還原途徑，結(jié)合分子生態(tài)學(xué)方法探究了溫度對(duì)不施肥

8、(CK)，單施無(wú)機(jī)肥(NPK)和有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥混施(MNPK)等3種施肥處理土壤的N2O釋放和還原速率及相關(guān)N2O還原微生物的影響。結(jié)果表明，自養(yǎng)氨氧化作用對(duì)該土壤N2O釋放的貢獻(xiàn)十分有限，在本研究的培養(yǎng)條件下異養(yǎng)氨氧化作用是該土壤類(lèi)型的主要N2O產(chǎn)生途徑。施肥和溫度處理對(duì)N2O的產(chǎn)生和還原速率皆有著顯著地影響。線性回歸分析顯示，與CK和MNPK處理不同，NPK處理中N2O產(chǎn)生速率多隨溫度的升高呈增加的趨勢(shì)，還原速率則呈下降的趨勢(shì)，這解

9、釋了NPK處理中較高的Q10。采用Q-PCR技術(shù)對(duì)nosZⅠ-型和nosZⅡ-型等兩種N2O還原菌種群豐度的分析表明， nosZⅡ-型N2O還原菌較nosZⅠ-型N2O還原菌對(duì)不同施肥處理較為敏感，其中在NPK處理中其種群豐度低于CK和MNPK處理;溫度效應(yīng)顯著影響了nosZⅠ-型N2O還原菌的種群豐度，而對(duì)nosZⅡ-型種群豐度的影響依賴(lài)于取樣時(shí)間和施肥處理。線性回歸分析顯示僅有nosZⅡ-型N2O還原菌的種群豐度的變化與N2O的還原