淹水水稻土消耗N2O能力及机制

大量研究表明淹水厌氧状态下的水稻田等湿地生态系统中N₂O负排放量巨大,对缓解大气温室气体效应有重要意义,但水稻土壤对大气N₂O的吸收消耗潜力以及调控潜力发挥的微生物机制却鲜见报道.本实验以表层渍水水稻土壤（0~5 cm）为研究对象,通过室内厌氧培养手段,分析环境N₂O浓度的提高对土壤N₂O消耗能力的影响以及nosZ基因丰度的变化规律.结果表明,淹水厌氧状态下的水稻土壤中nosZ基因绝对丰度（以干土计）在DNA水平上达到10⁸ copies·g^-1,具有很强的N₂O转化还原潜力.回归分析结果显示环境N₂O浓度与土壤N₂O消耗速率显著线性正相关（r²=1,P<0.001）,土壤N₂O消耗能力可被高浓度的环境N₂O极大程度激发,达到4567.99 μg·（m²·h）^-1.与此同时较高水平的nosZ基因丰度在不同浓度N₂O处理间无显著差异,说明DNA水平上的nosZ基因丰度可能已经不是限制N₂O还原的关键因子,微生物调控因子需进一步探索.     

苗期玉米、大豆在土壤-植物系统N2O排放中的贡献

为区分植物在土壤-植物系统N₂O排放中的贡献,用封闭式箱法对在温室内砂培和土培的玉米、大豆幼苗及砂、土、砂-植物系统、土壤-植物系统的N2O排放进行了测定,同时对植物N₂O排放与植物叶片中的硝酸还原酶(NR)活性及NO₃^--N、NO₂^--N含量的关系进行了分析.结果表明:在53d的观测期内,玉米、大豆幼苗本身均可排放N₂O,且在土壤(砂)-植物系统的N₂O排放中占有很大份额(79.18%～100%);植物N₂O的排放与植物叶片的硝酸还原酶活性和NO₃^--N、NO₂^--N的含量显著正相关(R²≥0.97,n=6).     

大气CO2摩尔分数升高对高、低应答水稻稻田N2O排放的影响

依托稻田大气CO₂摩尔分数（x［CO₂］）升高平台FACE （free-air CO₂ enrichment）,采用静态透明箱-气相色谱法研究x［CO₂］升高（正常x［CO₂］+200 μmol·mol^-1）对高、低应答水稻（产量对x［CO₂］升高的响应分别为>30%和10%~15%）稻田N₂O排放的影响.本试验设置4个处理：A-W （正常x［CO₂］+低应答水稻）、F-W （x［CO₂］升高+低应答水稻）、A-S （正常x［CO₂］+高应答水稻）和F-S （x［CO₂］升高+高应答水稻）.结果表明,对比正常x［CO₂］处理（A-S和A-W）,x［CO₂］升高条件下高、低应答水稻（F-S和F-W）稻田N₂O排放分别降低52.54%（P<0.05）和38.40%（P<0.05）,水稻产量分别增加22.96%（P<0.05）和12.11%（P>0.05）,稻田N₂O排放强度分别降低61.68%（P<0.05）和45.13%（P<0.05）.另外,高、低应答水稻稻田N₂O排放与稻田土壤NH₄⁺-N含量呈显著相关关系,而与NO₂^--N含量无显著相关.x［CO₂］升高条件下,土壤温度是影响高应答水稻稻田N₂O排放的重要因素.综合考虑,未来x［CO₂］升高条件下,高应答水稻品种的"增产减排"效果最佳.     

不同水分管理方式下水稻生长季N2O排放量估算:模型建立

我国水稻生产中往往采用多种水分管理方式,如持续淹水、淹水-烤田-淹水和淹水-烤田-淹水-湿润灌溉等. 水分管理方式的不同会引起水稻生长季N₂O排放的显著变化. 本研究收集和整理了2005年以前17篇国内外文献报道的有关我国稻田N₂O季节排放通量的71组田间原位测定资料,每组资料包括稻田氮肥施用的种类和施用量、水分管理方式、N₂O季节排放量等数据,旨在建立不同水分管理方式下水稻生长季N₂O直接排放量的估算模型. 分析结果表明,持续淹水稻田N₂O季节排放量与施氮量无明显相关关系,在淹水-烤田-淹水和淹水-烤田-淹水-湿润灌溉的水分管理方式下,两者呈极显著线性正相关关系. 持续淹水稻田N₂O季节排放总量相当于施氮量的0.02%. 基于普通最小二乘法（OLS）分析技术建立的线性回归模型估算结果表明,淹水-烤田-淹水的水分管理方式下稻田肥料氮的N₂O排放系数为0.42%,但N₂O季节背景排放量不显著. 在淹水-烤田-淹水-湿润灌溉的水分管理方式下,水稻生长季肥料N的N₂O排放系数和N₂O-N背景排放量分别为0.73%和0.79 kg·hm^-2. 残差分析和效能分析显示模型具有较好的适切性. 综合3种水分管理方式,我国稻田水稻生长季N的N₂O排放系数和N₂O-N背景排放量平均分别为0.54%和0.43 kg·hm^-2. 相对于旱作农田而言,水稻生长季肥料N的N₂O排放系数较低,意味着水稻生产较旱地作物可能更有利于减缓我国农业N₂O排放. 本研究建立的模型可以用于我国稻田水稻生长季N₂O直接排放量的估算.     

不同水分管理方式下水稻生长季N2O排放量估算：模型验证和输入参数检验

利用2005～2007年我国稻田N₂O排放通量的田间原位测定资料和国际上其它地区稻田N₂O报道结果,对作者建立的不同水分管理方式下水稻生长季N₂O排放估算模型进行了验证. 结果表明,持续淹水稻田N₂O排放的拟合结果与其他地区淹水稻田N₂O通量值相一致. 淹水-烤田-淹水的水分管理方式下,稻田N₂O排放的拟合值接近于国际上同类研究结果. 淹水-烤田-淹水-湿润灌溉的水分管理方式下,稻田N₂O排放的估算模型对田间原位测定资料有很好的适切性. 为了检验模型输入参数的可信度,将本研究建立的有关我国水稻生产的相关资料数据库与以往研究报道结果进行了比较,结果表明,两者具有高度的一致性. 数据库资料表明,在20世纪50～70年代间,持续淹水稻田占20%～25%,大约75%～80%的稻田采用淹水-烤田-淹水的水分管理方式. 在20世纪80～90年代间,采用持续淹水,淹水-烤田-淹水和淹水-烤田-淹水-湿润灌溉水分管理方式的稻田分别约占12%～16%、 77%和7%～12%. 20世纪50年代水稻生长季平均每季总施氮量为87.49 kg·hm^-2,而90年代平均为224.64 kg·hm^-2. 其中,化学氮肥的施用量从20世纪50年代的37.4 kg·hm^-2增加到了90年代的198.8 kg·hm^-2,分别占水稻生长季氮输入总量的43%和88%. 在20世纪50～70年代间有机氮的输入量相对比较稳定,平均变幅在45.2～48.2 kg·hm^-2之间,随后逐步降低,有机肥料氮占氮输入总量的比例从20世纪50年代的52%降低到了90年代的9%. 作物残体N输入量从20世纪50年代的4.9 kg·hm^-2增加到了80年代的6.3 kg·hm^-2. 20世纪50～70年代水稻生长季氮肥施用量具明显的空间变异性,而80～90年代间其空间变异较小. 模型验证和输入参数检验的结果表明,该模型能较好地模拟我国不同水分管理方式下的稻田N₂O直接排放量.     

有机肥部分替代化肥对桃园N2O和NO排放的影响

有机肥替代作为一种减肥增效和多元化肥替代技术在农业生产中被大力推广.然而,目前尚缺乏对于有机肥在果园N₂ O和NO排放方面的影响综合评估.采用静态暗箱-气相色谱法,周年观测桃园种植过程中N₂ O和NO的排放,比较了单施化肥和有机肥部分替代化肥处理对桃园氮氧化物排放的影响.结果表明,有机肥部分替代化肥分别降低桃园N₂ O和NO排放总量15.0 %和9.4 %,同时 N₂ O和NO排放系数降低21.3 %和21.1 %.有机肥处理土壤的矿质氮含量低于单施化肥处理.有机肥处理提高了硝化作用中AOA的贡献,降低AOB的贡献,从而减少了硝化作用产生的N₂ O.此外,双同位素混合模型[δ¹⁸O（N₂ O/H₂ O）vs.δ¹⁵N^SP]结果表明,硝化细菌反硝化/细菌反硝化（bD/nD）是桃园土壤N₂ O排放的主要途径.施用有机肥增强了土壤反硝化作用,导致更多的N₂ O和NO被还原.因此,有机肥部分替代可以缓解果园氮氧化物排放,是实现农业绿色低碳的可行措施.     

不同水分管理条件下添加生物炭对琼北地区水稻土N2O排放的影响

干湿交替会影响土壤硝化和反硝化等N₂O主要的产生过程,频繁的干湿交替在以海南为代表的热带水稻种植地区十分常见.生物炭作为一种土壤改良剂在改良土壤理化性质,减少土壤温室气体排放方面应用广泛,然而当前关于生物炭在琼北地区水稻土频繁干湿交替过程中减排效果研究并未深入.本试验以海南琼北地区典型水稻土为供试土壤,以400℃厌氧条件下炭化的玉米秸秆生物炭为供试生物炭,探究不同水分管理条件下添加生物炭对土壤温室气体排放及微生物相关功能基因的影响.试验设置干湿交替条件下不添加生物炭（AWD1）,干湿交替并添加2%生物炭（AWD2）,干湿交替并添加4%生物炭（AWD3）,持续淹水不添加生物炭（CF1）,持续淹水并添加2%生物炭（CF2）,持续淹水并添加4%生物炭（CF3）共6个处理,进行为期30 d的25℃恒温避光培养.结果表明：①不同水分条件下添加玉米秸秆生物炭均可减少酸性水稻土中N₂O的排放（P<0.05,下同）,AWD3处理N₂O排放总量为0.43 mg·kg^-1,相比AWD1处理减少了68%;②玉米秸秆生物炭在不同水分管理条件下均可以显著提高土壤pH,添加生物炭处理相对于不添加生物炭处理在培养结束后土壤pH平均提高了0.5个单位,同时提高土壤NH₄⁺-N含量,但会导致Eh的降低;③玉米秸秆生物炭的添加显著降低了氨氧化细菌（AOB）丰度,显著提高了nosZ基因丰度,降低了（nirK+nirS）/nosZ的比值,抑制了硝化过程,同时促进了反硝化过程N₂O的还原,从而降低了N₂O排放.结果表明,干湿交替过程添加生物炭有利于减少水稻田土N₂O排放,在琼北地区农业温室气体减排方面有较大的应用前景.     

秸秆还田和添加生物炭对热带地区稻菜轮作体系中淹水后土壤温室气体排放的影响

热区稻菜轮作系统瓜菜季施肥后大量硝态氮积累,导致后续的水稻季淹水后硝态氮的淋失以及大量N₂O排放,使氮素损失以及温室效应加剧.如何提高硝态氮利用率,减少N₂O排放成为了亟待解决的问题.试验共设置6个处理：添加200 mg·kg^-1 （以N计,下同）KNO₃（CK）;添加200 mg·kg^-1 KNO₃+2%生物炭（B）;添加200 mg·kg^-1 KNO₃和1%花生秸秆（P）;添加200 mg·kg^-1 KNO₃+2%生物炭+1%花生秸秆（P+B）;添加200 mg·kg^-1 KNO₃+1%水稻秸秆（R）;添加200 mg·kg^-1 KNO₃+2%生物炭+1%水稻秸秆（R+B）,进行114 d的25℃恒温淹水培养,来探究有机物料添加对土壤淹水后温室气体排放和氮素利用的影响.结果表明,与CK相比,添加秸秆或秸秆和生物炭配施显著增加了土壤pH（P<0.05）;B和P处理分别显著增加了41.6%和28.5%的N₂O累计排放（P<0.05）,P+B、R和R+B处理分别显著降低了14.1%、24.7%和36.7%的N₂O累计排放（P<0.05）;添加秸秆增加了净温室气体增温潜势（NGWP）,增施椰壳生物炭能够显著减缓秸秆对NGWP的影响（P<0.05）,秸秆和生物炭配合施用降低了NGWP,其中P+B显著降低NGWP（P<0.05）,R+B不显著;添加秸秆或生物炭显著增加了土壤微生物量碳（MBC）（P<0.05）,P+B最高,为502.26 mg·kg^-1;秸秆和生物炭配施增加了土壤微生物量氮（MBN）,P+B最高.N₂O排放通量与pH呈极显著负相关（P<0.01）,与NH₄⁺-N和NO₃^--N呈极显著正相关（P<0.01）;N₂O累计排放量与MBN呈极显著负相关（P<0.01）;NO₃^--N与MBN呈显著负相关（P<0.05）,说明硝态氮的减少可能被微生物固持,微生物对硝态氮固持的增加也减少了N₂O排放.综上所述,花生秸秆和椰壳生物炭配合施用能够显著抑制N₂O排放,增加土壤MBC和MBN,是一种海南瓜菜季后充分利用氮肥,减少氮素损失,减缓N₂O排放的一种合理措施.     

氮肥水平对不同土壤N2O排放的影响

鉴于N₂O排放量占施用氮肥量的比例即N₂O排放系数还有很大不确定性,室外盆栽试验于2002～2003年选取3个供试土壤,各土壤设置对照和低、中、高氮肥水平,全年施尿素量 (以N计) 分别为334、 670和1 004 kg/hm².结果表明,水稻生长季,各个土壤的N₂O累积排放量与其对照相比的增加量在低、中、高氮肥水平间无明显差异;而小麦生长季,随氮肥施用量增加,各个土壤的N₂O累积排放量与其对照相比的增加量在3种氮肥水平之间的差异显著.整个稻麦轮作系统,随氮肥用量的增加明显促进麦田N₂O的排放.无论水稻或小麦生长季,对照3个土壤的N₂O累积排放量并无显著差异,F土壤（江苏溧水）、G土壤（江苏涟水）和H土壤（江苏农科院）的N₂O累积排放量,在水稻生长季分别为168、 127和146 mg/m²;小麦生长季,分别为134、 124和168 mg/m².在施氮肥后,3个土壤的N₂O排放量出现差异,如在中氮水平下,小麦生长季,F土壤、G土壤和H土壤N₂O累积排放量分别为976、 744和626 mg/m².稻麦轮作生长季内,在低氮与中氮2个水平下,不同土壤间N₂O排放系数存在显著差异.以1个稻麦轮作周期为时间尺度,F土壤、G土壤和H土壤总的N₂O排放系数分别为1.1%±0.23%、 0.75%±0.17%和1.01%±0.11%,表明不同土壤对N₂O排放系数的影响不同.     

氮肥分施次数及硝化抑制剂对盆栽玉米N2O排放的影响

合理施氮是获得较高目标产量和降低因氮环境污染的重要策略.通过盆栽试验研究等氮量下不同分施次数对玉米产量及土壤N₂O排放的影响,并探讨氮转化功能基因丰度与N₂O排放的关系.本试验设空白（CK,不施尿素）、一次性施氮（S1,将0.5g·kg^-1尿素一次性施入土壤+硝化抑制剂）、二次分施（S2,将0.5g·kg^-1尿素分40%和60%两次施入土壤）和三次分施（S3,将0.5g·kg^-1尿素分20%、40%和40% 3次施入土壤）.结果表明：①施氮促进土壤酸化,氮分施次数造成土壤酸化程度的显著差异,氮分施次数越多,土壤酸化越强.施氮显著提高鲜食玉米果穗产量及茎秆生物量,但氮肥分施次数对土壤pH影响的差异可能会导致植物对氮的吸收利用程度也存在着差异.S3处理显著降低土壤pH的同时,也降低了植物氮吸收累积量和氮素利用效率,也造成了高的N₂O累积排放量.与S3处理相比,S1和S2处理分别增产了40.21%和42.55%,其N₂O累积排放量也分别显著降低了79.4%和20.9%.② N₂O排放与AOB和nirK基因丰度呈显著正相关关系,AOB和nirK是N₂O排放的主要贡献者.S1处理显著降低了AOB和nirK基因丰度,降低N₂O排放,S2和S3处理施肥后显著增加了nirK和nirS基因丰度,降低了nosZ基因丰度,促进了N₂O的排放.氮分施次数影响氮转化过程的功能基因,从而影响N₂O排放.由此可见,尿素配合DCD一次性施入不仅能保证玉米产量,提高氮素利用效率,还能降低温室气体排放,可作为海南地区鲜食玉米种植过程推荐的施肥模式.     

Nitrous oxide reductase gene (nosZ) and N2O reduction along the littoral gradient of a eutrophic freshwater lake

Lake littoral zones are characterized by heterogeneity in the biogeochemistry of nutrient elements. This study aimed to explore the relationship between the nitrous oxide reductase gene (nosZ)-encoding denitrifier community composition/abundance and N2O reduction. Five samples (deep sediment, near-transition sediment, transition site, near-transition land and land soil) were collected along a littoral gradient of eutrophic Baiyangdian Lake, North China. To investigate the relationship between the nosZ-encoding denitrifier community structure and N2O reduction, the nosZ-encoding denitrifier community composition/abundance, potential denitrification rate (DNR) and potential N2O production rate (pN2O) were investigated using molecular biological technologies and laboratory incubation experiments. The results showed that the average DNR of sediments was about 25 times higher than that of land soils, reaching 282.5 nmol N/(g dry weight (dw)·hr) and that the average pN2O of sediments was about 3.5 times higher than that of land soils, reaching 15.7 nmol N/(g dw·hr). In the land area, the nosZ gene abundance showed a negative correlation with the N2O/(N2O+N2) ratio, indicating that nosZ gene abundance dominated N2O reduction both in the surface soils of the land area and in the soil core of the transition site.Phylogenetic analysis showed that all the nosZ sequences recovered from sediment clustered closely with the isolates Azospirillum largimobile and Azospirillum irakense affiliated to Rhodospirillaceae in alpha-Proteobacteria, while about 92.3% (12/13) of the nosZ sequences recovered from land soil affiliated to Rhizobiaceae and Bradyrhizobiaceae in α-Proteobacteria. The community composition of nosZ gene-encoding denitrifiers appeared to be coupled with N2O reduction along the littoral gradient.     

生物炭对热带地区辣椒种植土壤N2O排放及其功能基因的影响

生物炭具有一定的增产和减少N₂O排放效果,但关于其相关氮循环微生物作用的动态变化过程了解较少.为探明热带地区生物炭的增产减排效应潜力及相关微生物动态作用机制,通过辣椒盆栽试验对比添加生物炭(B)、常规施肥(CON)和不施氮(CK)处理对辣椒产量、氧化亚氮(N₂O)的排放及相关功能基因丰度的影响.结果表明,CON处理产量高于CK处理;与CON处理相比,生物炭显著增加辣椒产量18.0%(P<0.05),添加生物炭在辣椒生长的大部分时期增加土壤NH⁺₄-N和NO^-₃-N含量;在辣椒的生长周期内,相比CON处理,生物炭处理显著减少土壤N₂O累积排放量18.3%(P<0.05).N₂O排放通量与氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的amoA基因丰度呈极显著负相关(P<0.01);与nosZ基因丰度呈显著负相关(P<0.05),表明N₂O排放可能主要来自反硝化过程;在辣椒生...     

生物质炭对华北平原4种典型土壤N2O排放的影响

生物质炭作为一种新型的土壤改良剂,在降低土壤温室气体排放方面发挥着重要作用.为明确生物质炭对冬小麦苗期土壤N_2O排放的影响,以华北平原的4种典型土壤(水稻土、砂姜黑土、褐土和潮土)为研究对象,进行田间试验,设置了4个处理:对照(CK)、单施化肥(NPK)、单施生物质炭(BC)和化肥与生物质炭配施(NPK+BC).结果表明,单施化肥显著增加了4种土壤N_2O排放,与对照相比,水稻土、砂姜黑土、褐土和潮土N_2O排放分别增加了314%、116%、240%和282%.添加生物质炭对华北平原4种土壤N_2O排放影响存在差异,与CK相比,单施生物质炭水稻土、褐土N_2O排放显著增加了72. 4%和50. 9%,而砂姜黑土和潮土BC与CK处理无显著差异.与NPK相比,生物质炭与化肥配施显著降低了4种土壤N_2O排放.添加生物质炭提高了4种土壤pH,其中,初始pH最低的水稻土,受生物质炭影响较显著,施肥则降低了4种土壤pH.砂姜黑土、褐土和潮土施肥处理N_2O排放通量均与铵态氮含量呈显著正相关,水稻土和砂姜黑土单施生物质炭处理N_2O排放通量与硝态氮含量呈显著正相关.     

节水灌溉和控释肥施用耦合措施对单季稻田CH4和N2O排放的影响

以我国华东地区典型单季稻水稻田(江苏宜兴)的原柱状土为研究对象,通过两年土柱观测试验,研究不同灌溉管理模式(长期淹水CF、间隙灌溉Ⅱ、控制灌溉CI)和氮肥施用(不施氮CK、尿素Urea和控释肥CRF)耦合措施对水稻生长期内CH4和N2O排放和产量的影响,以期优选典型单季稻田减排增效的水肥管理模式.结果表明,两种节水灌溉方式(CI和Ⅱ)均显著影响稻田土壤CH4和N2O排放量及二者的综合温室效应(GWP)和排放强度(GHGI),与CF相比,Ⅱ和CI均显著提高了 N2O排放量(P＜0.05),降低了 CH4排放量(P＜0.05),进而二者的GWP和GHGI分别显著降低28.9％～71.4％和14.3％～70.4％(P＜0.05);两种节水灌溉模式相比,CI较Ⅱ模式呈现较好的CH4减排优势,排放总量降低了 57.7％～91.8％,而二者的N2O排放量无显著性差异(P＞0.05),最终CI对GWP和GHGI的减排效应略优于Ⅱ模式2.0％～56.2％.施用氮肥(Urea和CRF)均显著促进N2O排放18.4％～2547.8％(P＜0.05),其中CRF处理N2O排放量均略高于Urea处理32.7％～78.6％,但无显著性差异(P＞0.05);CH4排放总量对施氮处理的响应随水分管理模式的不同而不同,总体而言,施用CRF较Urea对稻田土壤GWP和GHGI均无显著影响(P＞0.05).相关分析表明,2018年CF模式的Urea处理和Ⅱ模式的Urea、CRF处理中N2O排放通量与田面水NH4+-N浓度分别呈现显著(P＜0.05)和极显著的正相关关系(P＜0.01),而二者在2019年CI模式的CK和CRF处理中呈现相反规律;2018年CI模式下CK、CRF处理的N2O排放通量与田面水NO3--N浓度呈极显著的正相关关系(P＜0.01).节水灌溉和氮肥施用对水稻产量均呈显著影响(P＜0.05),与CF相比,两种节水灌溉模式(Ⅱ、CI)水稻产量均下降了 14.7％～37.7％;CRF处理较Urea处理略提高水稻产量2.5％～7.4％(P＜0.05).综合考虑稻田土壤GWP、GHGI和水稻产量,节水模式与控释肥施用对稻田土壤减排增产的耦合效应仍有待进一步研究.     

生物质炭对双季稻田土壤反硝化功能微生物的影响

目前,基于田间条件下生物质炭添加对稻田反硝化微生物的调控效应还不甚明确.为此,本研究采用小区试验,通过在双季稻田添加不同量的小麦秸秆生物质炭(0、24和48 t·hm-2,分别用CK、LC和HC代表),结合实时荧光定量PCR(q PCR)和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析技术,研究了生物质炭添加对双季稻田休闲季和水稻季土壤反硝化微生物相关功能基因(调控硝酸还原酶的nar G基因,亚硝酸还原酶的nir K基因和氧化亚氮还原酶的nos Z基因)的影响.由于生物质炭呈碱性,添加到土壤后,可提高稻田休闲季土壤p H 0. 2～0. 8个单位.生物质炭本身含有部分可溶性N,因此,添加生物质炭可增加休闲季土壤铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)含量,增幅分别达21. 1%～32. 5%和63. 0%～176. 0%,但由于其吸附作用,降低了水稻季NH_4~+-N含量48. 8%～60. 1%.生物质炭添加增加了休闲季微生物生物量氮(MBN)含量,这可能是由于生物质炭较大的比表面积为微生物生存提供了适宜的环境,可利用养分的增加促进了微生物的生长.与对照相比,休闲季生物质炭引起的NH_4~+-N和NO_3~--N含量增加,促进NH_4~+-N向NO_3~--N的转化,进而增加nar G和nos Z的基因丰度(P0. 05),同时,生物质炭处理p H的提高促进了nos Z的基因丰度的增加,显著改变了反硝化功能基因nar G和nos Z的群落结构,并以此对反硝化作用产生影响,但未对休闲季氧化亚氮(N_2O)排放产生影响.而在水稻季,生物质炭增加了土壤nos Z的基因丰度(P 0. 05),HC处理增加了nir K基因丰度(P 0. 05),这也是导致水稻季HC处理N_2O排放增加的重要原因.生物质炭通过降低水稻季土壤NH_4~+-N含量,改变了nir K和nos Z基因的群落结构,而nar G基因群落结构的变化影响了土壤N_2O排放.综上所述,生物质炭可通过改变双季稻田土壤性质,来影响参与土壤反硝化作用的相关微生物,进而影响土壤N_2O排放及NO_3~--N的淋失.     

碳底物含量对厌氧条件下水稻土N2、N2O、NO、CO2和CH4排放的影响

理解底物碳氮对厌氧条件下水稻土排放氮素气体——氮气(N2)、氧化亚氮(N2O)和一氧化氮(NO)以及二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的影响,有助于制定合理的温室气体减排措施,定量了解反硝化产物组成对碳底物水平的依赖性,也有助于氮转化过程模型研发中制定正确的关键过程参数选取方法或参数化方案.本研究采用粉砂壤质水稻土为研究对象,设置对照(CK)和加碳(C+)两个处理,前者的初始硝态氮和可溶性有机碳(DOC)含量分别为~50 mg·kg-1和~28 mg·kg-1,后者的分别为~50 mg·kg-1和~300 mg·kg-1.采用氦环境培养-气体及碳氮底物直接同步测定系统,研究了完全厌氧条件下碳底物水平对上述气体排放的影响.结果表明,CK处理无CH4排放,而C+处理可观测到CH4排放;C+处理的综合增温潜势显著高于CK处理(P<0.01);NO、N2O和N2排放量占这3种氮素气体排放总量的比重,在CK处理分别约为9%、35%和56%,在C+处理分别约为31%、50%和19%,处理间差异显著(P<0.01).由此表明,碳底物水平可显著改变所排放氮素气体的组成;对于旱地阶段硝态氮比较丰富的水稻土,避免在淹水前或淹水期间施用有机肥,有利于削减温室气体排放.     

兽用抗生素磺胺二甲嘧啶对稻田N2O排放的影响及其微生物机制

为研究磺胺类兽用抗生素对稻田N_2O排放的影响及其微生物机制,采用田间原位观测试验,对比分析不同浓度磺胺二甲嘧啶(sulfamethazine,SMZ)对稻田N_2O排放及硝化反硝化过程底物和相关功能基因丰度的影响.本试验共设5个处理,分别为:无肥料无抗生素(CK);猪粪为基肥,尿素为追肥,分别添加0、5、15和30 mg·kg~(-1)的SMZ处理(SMZ0、SMZ5、SMZ15和SMZ30),在整个水稻生长季定期采集和分析土壤和气体样品.结果表明,不同浓度SMZ均未改变稻田N_2O排放的季节性规律,整个观测期N_2O排放通量,与SMZ0处理相比,SMZ15有显著差异(P 0. 05),SMZ30和SMZ5无显著差异(P 0. 05).中、高浓度处理SMZ15和SMZ30在均值水平上增加了N_2O累积排放量,分别是SMZ0处理的3. 47和4. 67倍,且增加了土壤NO_3~--N含量.与SMZ0处理相比,中、高浓度处理对土壤总细菌16S rRNA基因丰度、硝化过程中氨氧化古菌AOA amoA和氨氧化细菌AOB amoA基因丰度以及反硝化过程中的nirK、nirS和nosZ基因丰度均有明显的激活作用(P 0. 05),低浓度处理SMZ5对各基因丰度则有轻微抑制作用.具体表现为SMZ30、SMZ15与SMZ0处理的16S rRNA、AOA amoA、AOB amoA以及nirK、nirS、nosZ基因丰度比值的平均值分别为:1. 58、1. 77、2. 15、1. 38、1. 33、1. 42和1. 24、1. 37、1. 08、1. 65、1. 11、1. 64,而SMZ5与SMZ0处理的6个上述基因丰度比值均小于1,仅分别为0. 80、0. 99、0. 92、0. 76、0. 76和0. 77. N_2O排放通量与nir K基因丰度呈极显著正相关(P 0. 01),表明SMZ通过影响反硝化菌活性进而对N_2O排放产生作用.因此,兽用抗生素对农田的污染不可忽视,应从源头上合理控制使用,以减少其环境生态风险.     

Sources of nitrous and nitric oxides in paddy soils：Nitrification and denitrification

Rice-paddies are regarded as one of the main agricultural sources of N 2O and NO emissions. To date, however, specific N2O and NO production pathways are poorly understood in paddy soils. ^15N-tracing experiments were carded out to investigate the processes responsible for N2O and NO production in two paddy soils with substantially different soil properties. Laboratory incubation experiments were carried out under aerobic conditions at moisture contents corresponding to 60% of water holding capacity. The relative importance of nitrification and denitrification to the flux of NaO was quantified by periodically measuring and comparing the enrichments of the N2O, NH~-N and NO3-N pools. The results showed that both N2O and NO emission rates in an alkaline paddy soil with clayey texture were substantially higher than those in a neutral paddy soil with silty loamy texture. In accordance with most published results, the ammonium N pool was the main source of N2O emission across the soil profiles of the two paddy soils, being responsible for 59.7% to 97.7% of total N2O emissions. The NO3-N pool of N2O emission was relatively less important under the given aerobic conditions. The rates of N2O emission from nitrification （N2On） among different soil layers were significantly different, which could be attributed to both the differences in gross N nitrification rates and to the ratios of nitrified N emitted as NzO among soil layers. Furthermore, NO fluxes were positively correlated with the changes in gross nitrification rates and the ratios of NO/N2O in the two paddy soils were always greater than one （from 1.26 to 6.47）. We therefore deduce that, similar to N2O, nitrification was also the dominant source of NO in the tested paddy soils at water contents below 60% water holding capacity.     

外源氮输入对不同土地利用排水沟底泥反硝化和N2O排放影响

农田排水沟通过底泥硝化-反硝过程可消纳部分农业面源氮.水稻、蔬菜和水果是太湖地区种植业的主要土地利用类型,各种植区排水河沟密布,且不同种植区沟道接受外源氮差异明显,直接影响沟道消纳氮能力.分别采集太湖地区果园、稻田和菜地种植区排水沟道沉积物,设计上覆水N0、N1、N2、N3和N4这5个外源NO-3-N输入梯度,净氮输入量分别为0、0.5、1.0、5.0和10 mg·L~(-1),开展室内培养试验,研究外源氮输入对不同土地利用区排水沟道底泥反硝化和N2O排放的影响.结果表明,外源氮输入激发了排水沟底泥反硝化作用,3条沟道底泥反硝化速率均随上覆水NO-3-N输入浓度增大显著增大(P0.05),底泥累积反硝化量与输入NO-3-N浓度呈显著线性正相关关系(R20.75);除菜地外,沟道底泥N2O排放速率和累积排放量随外源NO-3-N输入浓度增大均无显著增大趋势(P0.05).在无外源氮或低外源氮输入时(N0和N1),果园、菜地和稻田种植区3种沟道之间底泥反硝化和N2O排放累积损失氮量的差异不显著(P0.05).随NO-3-N输入浓度增大,特别是高外源氮输入(N3和N4)条件下,果园和稻田排水沟道底泥反硝化消纳氮量显著高于菜地沟道底泥反硝化损失氮量(P0.05),而菜地排水沟底泥N2O排放损失氮量显著高于其它2条沟道底泥的N2O排放损失氮量(P0.05).排水沟底泥有机碳矿化速率与反硝化损失速率成正相关关系(n=15),微生物矿化(CO2-C)作用促进了沟道底泥硝化反硝过程.     

咸水滴灌对棉田土壤N2O排放和反硝化细菌群落结构的影响

淡水资源短缺是干旱区农业可持续发展所面临的严峻问题,合理利用咸水灌溉是缓解淡水资源不足的重要手段.长期咸水灌溉会导致土壤盐分积累,进而影响氮素的转化和N_2O的排放.本研究通过10 a咸水灌溉试验,探究咸水灌溉对棉田土壤N_2O排放、反硝化细菌丰度和群落结构组成的影响.试验采用灌溉水盐度和施氮量两因子2×2随机区组设计,其中灌溉水盐度(以电导率表示)设置2个水平:0.35 dS·m~(-1)和8.04 dS·m~(-1),施氮量设2个水平:0 kg·hm~(-2)和360 kg·hm~(-2)(分别用SFN0、SHN0、SFN360和SHN360表示).结果表明,长期咸水滴灌棉田土壤盐分、含水量和NH~+_4-N含量显著增加,pH值、NO~-_3-N、有机质和全氮含量显著降低.咸水灌溉处理显著抑制N_2O排放,不施氮肥和施氮肥处理下分别较淡水灌溉降低45.19%和43.50%.氮肥施用显著增加N_2O排放,施肥处理N_2O排放较不施肥处理增加161%.不施肥条件下,咸水灌溉显著降低反硝化酶活性、nirK、nirS和nosZ基因丰度,α多样性.施肥条件下,咸水灌溉对nosZ型反硝化细菌的丰度无显著影响,但显著降低反硝化酶活性和nirK、nirS基因丰度.咸水灌溉和氮肥施用共同改变nirK、nirS和nosZ型反硝化细菌群落结构,灌溉水盐度对于反硝化细菌群落结构的影响要大于施肥.Lefse分析显示nirK、nirS和nsoZ型反硝化细菌差异物种随着灌溉水盐度的增加而增加,咸水灌溉显著改变反硝化细菌群落结构,导致优势种群数量增加.上述结果表明,长期咸水灌溉降低土壤N_2O排放,但会导致土壤盐分的持续上升,nosZ、nirK和nirS丰度的增加会促进N_2O排放.