水稻田的甲烷释放特性及其生物学机理

本文报导采用土柱法和田间原位法研究渍水稻田甲烷释放特性的结果。不同生育期的测定表明,早稻以分蘖盛期时释放量最大,以后逐渐减少,晚稻从分蘖始期起逐渐增加,至分蘖盛期、末期时达到最大,随后在孕穗期急剧减少,至生长后期又有所回升。以原位法测定表明,晚间和上午释放的甲烷量较多,中午几乎无甲烷释放,下午又有少量释放。不同施肥区稻田甲烷释放量明显不同,以施猪粪有机肥区为最高,次为施尿素无机氮区,不施肥区最低。但各施肥区水稻不同生育期的甲烷释放趋势完全一致,以分蘖期释放量最大,稻田释放的甲烷主要是稻植株释放的,可占总释放量的85％以上。行株间土壤释放的量不多。田间水释放极少,就植株而言,甲烷释放部位主要是在与土壤密切结合的未扰动的根基和根系部位,水面下茎秆白色部分和水上绿色部分几乎无释放。根系也主要是靠近根基的上半部分,根尖部位甲烷形成活性明显小得多。且研究表明,产甲烷细菌附存于根表而不进入根内组织。根际土壤中产甲烷细菌、厌氧性纤维素分解细菌和甲烷氧化细菌的数量以及总挥发有机酸含量都明显高于和行间土壤。     

种植不同冬季作物对稻田甲烷、氧化亚氮排放和土壤微生物的影响

研究双季稻收获后填闲种植不同冬季作物在其生长季节内甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的排放特征,对合理利用冬闲稻田、发展冬季作物生产及合理评价不同种植模式具有重要意义。采用静态箱-气相色谱法对冬季免耕直播黑麦草、紫云英和冬闲的双季稻田中CH4和N2O排放及其相关微生物数量变化进行了分析。在冬季作物生长期,不同冬季作物稻田CH4和N2O排放通量均显著高于对照（冬闲）,CH4和N2O排放通量均表现为免耕直播黑麦草〉免耕直播紫云英〉冬闲;免耕直播黑麦草和紫云英处理稻田CH4排放量分别为2.28和1.07 g·m^-2,分别比对照增加241.92%和60.63%;N2O排放量分别为0.59和0.48 g·m^-2,分别比对照增加71.93%和40.06%;各处理稻田土壤产甲烷细菌、甲烷氧化细菌、硝化细菌及反硝化细菌的数量变化范围分别为0.33×10^2 163.37×10^2 cfu·g^-1、11.05×10^3~245.68×10^3 cfu·g^-1、3.21×10^3~178.26×10^3 cfu·g^-1和10.47×10^5~198.88×10^5 cfu·g-1,免耕直播黑麦草和紫云英处理稻田土壤产甲烷细菌、甲烷氧化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的数量均显著高于冬闲,其中免耕直播黑麦草处理稻田土壤的产甲烷细菌、甲烷氧化细菌和硝化细菌数量显著高于免耕直播紫云英处理,而免耕直播紫云英处理稻田土壤反硝化细菌的数量则显著高于免耕直播黑麦草处理。研究结果显示,种植不同冬季作物能促进稻田生态系统中CH4和N2O的排放,而这两种气体的排放量与稻田土壤产甲烷细菌、甲烷氧化菌、硝化细菌和反硝化细菌数量变化密切相关。     

华北平原典型农业区土壤甲烷通量研究

利用静态箱法原位测定了华北农田不同施肥处理夏玉米和冬小麦生长季土壤甲烷的通量。结果表明 ,施肥农田夏玉米和冬小麦生长季甲烷通量分别为 -79.8和 -2 1.6μg·(m2 ·h) - 1 ,年平均通量为 -4 3 .1μg·(m2 ·h) - 1 。未施肥农田夏玉米和冬小麦生长季甲烷通量分别为 -110 .0和 -88.2 μg·(m2 ·h) - 1 ,年平均通量为 -95 .2 μg·(m2 ·h) - 1 。在不同生长季 ,各处理农田土壤甲烷通量均为负值 ,即土壤为大气甲烷的吸收“汇” ,在各个生长季施肥农田对甲烷的吸收量均低于未施肥农田 ,各处理冬小麦生长季土壤对CH4 的吸收量均低于同一处理的夏玉米生长季的吸收量 ;各处理甲烷通量具有较明显的季节变化 ,5月上旬至 9月中旬 ,土壤的甲烷吸收能力较强 ,其他时间吸收量较低 ;施肥土壤约比未施肥土壤对甲烷的氧化吸收能力降低 2 7%～ 76% ;试验区域内较大降水在一定时期内促进了土壤对甲烷的氧化     

森林土壤氧化（吸收）甲烷研究进展

甲烷是一种重要的温室气体,对全球气候变暖的贡献仅次于CO2,约为25%。大气甲烷可以被土壤中甲烷氧化细菌在有氧条件下吸收利用,陆地生态系统森林土壤氧化吸收甲烷的研究已有大量报道。甲烷氧化菌是以甲烷作为唯一的碳源和能源的一类细菌的总称。但森林土壤在全球甲烷核算中具有一定的不确定性,取决于产甲烷菌和甲烷氧化菌的相对活性。甲烷氧化菌的研究集中在环境对氧化能力的影响和自身氧化能力上。大气甲烷氧化过程为高氧化能力低亲力氧化,受到一些因子,如土壤温度、土壤通气状况、pH、氮肥等的影响,具体机理的研究还有待进一步深入。土壤通气状况受土壤质地与土壤水分影响,土地利用类型可能改变土壤容重、土壤结构和土壤水分,进而影响土壤甲烷氧化。植物可以通过自身对生境的作用或化感作用影响土壤甲烷氧化。土壤动物的研究则相对较少,目前排放清单中仅有白蚁是全球甲烷核算所包括的。从甲烷氧化菌的分类出发,对甲烷氧化菌氧化甲烷的机理、菌的生态分布及甲烷氧化的影响因素、时空异质性、观测方法等作出了综述,为正确认识和准确预测森林土壤在一定气候和土地利用类型条件下的甲烷氧化强度提供理论依据。     

甲醇对土壤甲烷氧化的影响及其微生物学机理

对设施栽培土壤甲烷氧化及其微生物学机理进行了研究，结果表明，不同土壤对甲烷的氧化能力各异，这可能与土壤的理化性质有关。土壤微生物是甲烷氧化的主要生物类群，不同碳源对甲烷氧化的影响各异，纤维素对甲烷氧化的抑制作用最小，高浓度的甲醇则对甲烷氧化具有强烈的抑制作用，而适当浓度的甲醇可极大地促进土壤甲烷的氧化。在甲烷释放极少的设施栽培土壤中，兼性营养甲烷氧化菌可能在甲烷氧化中占据主导地位。     

水稻土甲烷氧化菌对镉胁迫的响应

重金属污染影响土壤微生物群落结构与活性,间接影响土壤碳（如CO2、CH4）的生物地球化学循环和全球气候变化。甲烷氧化菌氧化消耗CH4,降低大气中CH4含量,在缓解由温室气体导致的全球温暖化方面起着重要作用。本研究通过短期土壤培养实验,比较研究了不同强度重金属镉（Cd）胁迫下,水稻土中甲烷氧化菌的多度、群落组成及其氧化CH4潜势的差异。结果表明,添加Cd含量越大,水稻土氧化CH4潜势越弱,甲烷氧化菌pmoA基因拷贝数显著减少;甲烷氧化菌多度与水稻土氧化CH4潜势之间存在显著正相关关系（P〈0.001）。群落组成分析发现,在相对低含量Cd（1 mg.kg-1）条件下,有新的甲烷氧化菌菌属出现,而添加较高含量Cd（10 mg.kg-1）时甲烷氧化菌种类减少。总之,Cd胁迫降低水稻土中甲烷氧化菌多样性及其氧化CH4潜势,可能导致原位CH4消耗减少,从而增加稻田CH4排放。     

缺氧嗜甲烷古菌研究进展

综述了缺氧嗜甲烷古菌的分布、生态位、形态与代谢特征的新发现,并讨论了其与产甲烷菌的关系.在无氧条件下,缺氧嗜甲烷古菌与硫酸盐还原菌互养,氧化甲烷气体以阻止其进入大气.缺氧嗜甲烷古菌主要分布于深海甲烷渗漏区和冷泉区域,在其他多种缺氧环境中也能发现,由于还未获得纯培养,对这类微生物的生态位知之甚少.其细胞呈球状、杆状,有时聚集成球状集合体或连接形成丝状体.缺氧甲烷氧化可能经过"反甲烷合成"、"甲基合成"等路径.嗜甲烷古菌与产甲烷菌有着较近的亲缘关系,并且存在许多相似点.图1表1参37     

甲烷氧化菌培养基特异性分析

选取4种不同配方的甲烷氧化菌培养基,同时采集中石化江苏油田富安区块油气区和背景区地表土壤样品,利用平板计数法、基因定量和T-RFLP多态性片段分析技术分析和评估其培养效果.实验结果表明,在不同配方培养基培养条件下,油气区土壤样品中甲烷氧化菌数量及扩培后的甲烷氧化菌pmo A基因丰度均高于背景区样品,4种培养基均能区分油气区和背景区甲烷氧化菌数量差异.异常分离指数表明1号培养基在实验检测中对微生物数量异常分离度更高.T-RFLP多态性片段分析表明,4种培养基培养条件下的甲烷氧化菌多样性程度均较高,1号培养基对应的优势油气指示微生物甲基球菌和甲基暖菌相对丰度略高,从甲烷氧化菌群落多样性角度进一步证明了1号甲烷氧化菌培养基的特异性较强.本研究确认了1号培养基在实验检测中的可靠性和准确性,为油气微生物勘探提供了技术支撑.     

一株Ⅱ型甲烷氧化菌的筛选及培养条件

甲烷氧化菌能够以甲烷作为唯一碳源和能源物质生存.在甲烷氧化、氯代烃类污染物降解、相关化学品生产等方面具有重要的潜力.利用甲烷作为唯一碳源物质筛选分离得到一株甲烷氧化菌,并对其进行初步鉴定.在此基础上,利用单因子实验和Plackett_Burman实验等方法对获得菌株的培养条件:包括培养基条件(无机氮源种类和浓度、影响显著的金属离子及其浓度、p H值)以及培养温度进行优化.结果表明:经过16S r DNA鉴定,获得菌株与Methylocystis sp.SC2、Methylocystis hiersuta strain SV97等菌株的相似性达到99%,所以确定该菌株属于Methylocystis菌属(Ⅱ型甲烷氧化菌,甲基孢囊菌属),将本菌株命名为Methylocystis sp.M16.以1.0 g/L NH4NO3作氮源,1.0μmol/L铜离子,p H 7.00,温度30℃的条件下,甲烷去除率和菌体生物量最大.在各个因素的最优条件下,Methylocystis sp.M16菌液吸光值(A600 nm)均在0.5以上,甲烷去除率在95%以上.本研究分离得到一株Ⅱ型甲烷氧化菌Methylocystis sp.M16,并获得优化的培养基和培养条件,有望为M16菌应用提供理论参考.     

氮肥对土壤氧化大气甲烷影响的机制

综合评述了氮素对土壤氧化甲烷的抑制机制。包括 :( 1)竞争甲烷单氧化酶的竞争抑制机制 ,( 2 )代谢产物的毒害抑制机制 ,( 3)外源盐引起的微生物生理缺水抑制机制和 ( 4)氮素周转作用引起的抑制机制。提出了氧化菌竞争利用土壤空气有限O2 的竞争抑制机制 ,即氨氧化菌利用更多的土壤有限氧气→产生优势氨氧化菌→形成优势菌群→限制甲烷氧化菌繁殖和功能发挥的氨长期抑制土壤氧化大气甲烷的机制 ,并认为这种抑制作用是不可逆的     

Assessment of methane from agricultural field during the entire paddy cropping seasons – a case study

A systematic effort was made to assess the emission of methane from paddy fields using closed chamber technique. Methane emission measurements were performed over a year during the Kharif (wet season), Rabi (dry season), and fallow periods. Various soil parameters like redox potential, organic carbon and ferrous ion were determined to evaluate their control on methane emissions. Diurnal measurement of the flux showed a minimum (0.44?mg?m^?2?h^?1) in the morning (8?a.m.), which increased gradually to a value of 1.16?mg?m^?2?h^?1 till the evening due to the rise in soil temperature. The seasonally integrated flux (E _SIF) for CH₄ was calculated. The E _SIF for methane during Kharif and Rabi crops were found to be 5.97?g?m^?2 and 2.59?g?m^?2, respectively. It was observed that the methane flux was maximum during flowering and fertilizer application stages for both paddy cropping seasons. The redox potential was low and the ferrous ion was higher during flowering and tiller stages. The methane emission was higher at E _AIF) was calculated for methane to make a budget estimate of methane emission from rice cultivated under rain fed drought prone water regime.     

Field tests to study the dynamics of weed inhibition of allelopathic rice and microbial physiological traits of rice rhizospheric soils北大核心CSCD

The weed inhibition of allelopathic rice PI312777 and nonallelopathic rice Lemont, allelopathic potential of rice rhizospheric soils, as well as the microbial physiological traits of rice rhizospheric soils, were studied by field tests after weedremoving and weed treatments. The results showed that the inhibitory rate of PI312777 at the 7-leaf stage on paddy weeds was 85.82%. Results of the Soil-Agar Sandwich method revealed that the allelopathic potential of PI312777 rhizospheric soils on the inhibitory rate of plant dry weight of barnyard grass was significantly higher at the 5-leaf stage than that at the 3-leaf stage, and increased by 20.16% from the 3-leaf stage to the 5-leaf stage after weed treatment. When at the same leaf stage, the soil microbe biomass carbon and soil respiration, the number of soil bacteria, and activity of soil enzymes (urease, protease, and sucrase) were significantly higher in PI312777 rhizospheric soils than in Lemont rhizospheric soils; they were also higher after the weed-removing treatment than after weed treatment. The largest increase of soil allelopathic potentials and soil microbial physiological indexes in PI312777 rhizospheric soils appeared from the 3-leaf stage to the 5-leaf stage. In case of weed treatment, the allelopathic potential of PI312777 rhizospheric soils on the soil microbe biomass carbon, soil respiration, the number of soil bacteria, activity of urease, activity of protease, and activity of sucrase increased by 53.11%, 51.56%, 38.97%, 44.83%, 60.00%, and 41.92%, respectively, from the 3-leaf stage to the 5-leaf stage. These results indicated that rice allelopathy had a close relationship with the activity of rhizospheric soils. Rice allelochemicals lead to the change of soil microbes; rice allelopathy is a process based on plant-soil interaction. © 2018 Science Press. All rights reserved.     

多金属硫化物矿区不同品种水稻根际土壤酶活的变化

选取酸性矿山废水污灌形成的多重金属污染水稻土,采用多格层根际箱模拟水稻根际环境,研究高镉积累水稻长香谷fOryzasativaL．cv．Choukoukoku）和低镉积累水稻金农丝苗（OryzasativaL．cv．Jinnongsimiao）2个品种水稻生育中后期（分蘖期、孕穗期、扬花期、蜡熟期）根际土壤脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性的变化特征。结果表明：高镉积累水稻比低镉积累水稻各时期根际土壤脲酶活性低,随着生育期的延长,2个品种水稻土壤脲酶活性先降低后升高（分蘖期酶活性最高）,2种水稻土壤脲酶活性均在根际s0层达到最高,但其他各层土壤脲酶活性与根系距离无显著关系。随着水稻生育期的延长,高镉积累水稻根际土壤酸性磷酸酶活性先升高（在孕穗期酶活性达最高）,随后降低;低镉积累水稻土壤酸性磷酸酶活性则在分蘖期最高,之后逐渐降低。除分蘖期高镉积累水稻土壤酸性磷酸酶活性低于低镉积累水稻酶活性外,其他2个时期前者酸性磷酸酶酶活性均高于后者的酶活。2个品种水稻土壤过氧化氢酶活性随生育期延长不断升高,在整个生育后期,高镉吸收水稻比低镉吸收水稻各时期土壤过氧化氢酶活性高,但在蜡熟期时两者无显著差异;在各时期2种水稻过氧化氢酶活性在根系S0层达到最大,随着与水稻根系距离的增加呈先降低后增加的趋势。可见,在多重金属污染矿区,土壤酶活性明显受水稻品种、水稻生长时期和水稻根系的影响。该结果可以为研究多重金属污染矿区分析土壤酶活性与不同重金属积累程度的水稻品种作物相关关系提供数据支持,给农业生产及土壤修复提供依据。     

2种常规水稻Cd、Zn吸收与器官分配的生育期变化：品种、土壤和Cd处理的影响

Cd在土壤-作物-膳食食物链中的迁移是人类对环境Cd暴露及其健康风险的主要途径,而水稻是子粒Cd积累最强的大宗作物之一.采用全生育期淹水盆栽试验研究了2种常规水稻(高Cd吸收品种“苏香粳1号”和低Cd吸收品种“99-22”)在添加Cd(2mg·kg-1)和不添加Cd处理下对2种土壤(红沙泥田,乌栅土)中Cd、Zn的吸收及其生育期变化.结果表明:1)常规水稻对Cd、Zn的吸收积累受土壤、品种和外源Cd的影响.Cd处理、土壤、品种间的正交互作用(高Cd吸收品种植于高Cd处理且Cd有效性高的红壤中)使常规稻植株Cd/Zn比成数十倍提高,从而使子粒Cd/Zn比产生强烈升高;2)水稻对Cd、Zn的吸收强度因不同生育期而异,Cd吸收的主要时期是分蘖期和成熟期,而Zn吸收的主要时期则是分蘖期、抽穗期和灌浆期.在整个生育期中,水稻Cd吸收伴随着对Zn的排斥现象,这在高Cd吸收下尤为强烈;3)水稻各器官对Cd、Zn的吸收分配无论是同品种的生育期间抑或同生育期时的不同品种间均有显著差异.Cd积累量为根系>穗粒>茎叶,而Zn却表现为茎叶>根系、穗粒.观察到水稻吸收的Cd在生育后期向穗粒的强烈运移.相对于低Cd吸收品种来说,Cd向穗粒转运较强,而Zn的转运较弱是高Cd吸收品种子粒Cd积累强而Cd/Zn比高的植株因素.     

水稻田烤田期间甲烷排放规律研究

报道了在镇江丘陵区水稻生产中的烤田期间不同处理的甲烷排放特点及其与土壤水分、氧化还原电位的关系。结果表明，在烤田初期有一个甲烷排放高峰，然后很快下降，烤田后期甲烷排放接近于零；前茬施用稻草，对烤田期间甲烷排放有显著的促进作用；不同氮肥用量对甲烷排放的影响规律不明显；烤田期间甲烷排放占水稻全生育期排放量的比例，在３．８６％～１３．９２％范围内变化。     

脱硫石膏改良碱化土壤种植水稻施用量研究

选择具有典型代表性的宁夏西大滩碱化土壤,采用拉丁方田间试验设计进行脱硫石膏改良碱化土壤种植水稻(Oryza sativa)的施用量研究.试验研究表明施用脱硫石膏能够降低土壤碱化度、总碱度和pH值,提高水稻的出苗率和产量.但是,脱硫石膏施用量不同,土壤碱化度、总碱度和pH值降低的值不同.根据脱硫石膏施用量与土壤碱化度、总碱度、pH值降低的模拟曲线关系,当脱硫石膏施用量为2.8～3.1kg·m~(-2)时,土壤碱化度、总碱度、pH值降低的值达到最大.同时,根据脱硫石膏施用量与水稻出苗率和产量的模拟曲线关系,当脱硫石膏施用量为2.86kg·m~(-2),水稻出苗率达到最大,为84.7%;当脱硫石膏施用量为2.79kg·m~(-2)时,水稻产量达到最大,为0.75kg·m~(-2).因此,建议脱硫石膏改良碱化土壤种植水稻的施用量为2.8～3.1kg·m~(-2).     

锌铬复合污染对水稻根系可溶性糖代谢的影响

植物具有逐步适应逆境的能力,在不同生育期对逆境的适应程度不同。可溶性糖是植物碳代谢的主要物质之一,与植物的抗性有密切关系。通过盆栽试验,研究了锌铬复合污染下,在水稻(Oryza sativa L.)不同生育期,水稻根系可溶性糖的代谢。结果表明,随着土壤中锌、铬质量分数的增加,在水稻不同生育期,其根干质量及地上部分干质量均呈降低的趋势,而根冠比呈现一定的升高趋势;水稻根系可溶性糖含量呈升高的趋势。偏相关分析表明,在水稻不同生育期,土壤中锌、铬质量分数与水稻根系可溶性糖含量均呈显著或极显著的偏相关关系。锌在水稻孕穗期及灌浆结实期对水稻根系可溶性糖含量的作用均大于铬,在分蘖期小于铬。这表明在重金属胁迫下,水稻通过增加其根系中可溶性糖含量来协调源流库的关系,从而提高自身对锌铬复合污染的生态适应能力。     

油菜秸秆还田对水稻根系分布及稻谷产量的影响

根系健康是水稻正常生长及高产的前提,为明确油菜秸秆还田方式和还田量对水稻生长及产量的影响,以秸秆不还田作为对照,设置秸秆半量还田(1.5 t/hm²)、全量还田(3.0 t/hm²)、超量还田(4.5 t/hm²)3个还田量以及秸秆覆盖还田(FG)、秸秆翻埋还田(FM)两种还田方式,通过盆栽和大田试验相结合,研究秸秆处理对水稻根系分布及产量构成的影响.结果显示,秸秆快速腐解期(移栽后第23天)根系总长度、总鲜重及白根长度、白根鲜重均随还田量的增加而减少,但缓慢腐解期(移栽后第53天)覆盖处理总根系变化趋势与前期一致,翻埋处理根系长度和鲜重在FM2、FM3处理较大.覆盖还田促进移栽后期20-50 cm土壤中根系的生长,翻埋还田促进移栽后期各土壤深层根系的生长.覆盖和翻埋还田在返青期分蘖数分别比秸秆不还田减少1个/株和1.67个/株,翻埋还田更不利于返青期分蘖保持,但翻埋处理在移栽后期更有利于分蘖数的增加.单株有效穗在超量还田处理下达到最大值12.11和12.65,但千粒重、结实率、穗着粒数和产量均在全量还田处理下达到最高水平.本研究表明油菜秸秆还田抑制水稻移栽前期根系生长,同时覆盖处理对移栽后期根系生长不利,翻埋处理明显促进移栽后期根系的生长;油菜秸秆还田处理能提高水稻产量,其中以秸秆全量还田效果最佳.(图6表4参38)