農(nóng)田土壤N2O產(chǎn)生和還原及相關(guān)功能微生物對溫度及施肥的響應(yīng).pdf_第1頁
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文檔簡介

1、N2O是一種重要的溫室氣體且對大氣臭氧層具有破壞作用。農(nóng)田土壤是主要的N2O釋放來源,其主要源于大量施用無機氮肥和動物糞肥,因此,關(guān)于施肥對農(nóng)田土壤N2O釋放和還原影響的研究受到人們越來越多的重視。在全球氣候變暖的背景下,溫度變化對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型和施肥處理間N2O釋放對溫度變化響應(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存在較大的時空變異這一現(xiàn)象上,但

2、其中涉及的具體微生物機制并不明確。N2O的釋放是產(chǎn)生和還原過程的凈結(jié)果,所以揭示土壤間N2O釋放溫度敏感性的差異機制需要同時考慮溫度對產(chǎn)生和還原過程的影響。
  采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗本研究測定了3種土壤類型處于不同施肥處理和溫度下的N2O凈釋放,結(jié)合乙炔抑制法來區(qū)分產(chǎn)生和還原途徑,利用T-RFLP和實時熒光定量PCR技術(shù)(Q-PCR)來分析執(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、差異的微生物機制。
  本研究由3個試驗組成。試驗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(不施肥對照、單施化學(xué)肥料、有機糞肥和化學(xué)肥料混施與化學(xué)肥料結(jié)合秸稈還田)作為供試材料,通過預(yù)培養(yǎng)步驟來降低土壤間底物濃度的差異對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N2O的凈釋放皆有著顯著地影響;對Q10的計算表明,供試土壤的Q10具有分布范圍狹窄和小于理論值的特點,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Q10的影響具有溫度范圍,施肥處理類型和土壤類型的依賴性,其表現(xiàn)在當供試土壤中單施無機氮肥大于300 kg ha-1year-1時25~35℃范圍的Q10

5、顯著大于CK。
  基于試驗Ⅰ的結(jié)果,試驗Ⅱ?qū)υ囼灑裰?種土壤類型中施N量超過300 kg ha-1year-1且施氮量相近的無機肥處理及不施肥處理的培養(yǎng)樣品作為試驗材料,采用T-RFLP和實時熒光向量PCR技術(shù)(Q-PCR)分析了氨氧化細菌(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;而無機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N2O釋放可能有著重要的貢獻;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碳(DOC),可溶性有機氮(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型中重要的N2O釋放來源。
  試驗Ⅲ進一步選擇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)方法探究了溫度對不施肥

8、(CK),單施無機肥(NPK)和有機肥與無機肥混施(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)氨氧化作用對該土壤N2O釋放的貢獻十分有限,在本研究的培養(yǎng)條件下異養(yǎng)氨氧化作用是該土壤類型的主要N2O產(chǎn)生途徑。施肥和溫度處理對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,還原速率則呈下降的趨勢,這解

9、釋了NPK處理中較高的Q10。采用Q-PCR技術(shù)對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nosZⅡ-型種群豐度的影響依賴于取樣時間和施肥處理。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

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