典型水稻土壤N2O消耗潜力差异及其与氧化亚氮还原微生物丰度的关系研究

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氧化亚氮(N2O)是三大温室气体之一,且对大气层具有破坏作用。农田土壤被认为是最主要的排放源,近年来,研究者发现土壤N2O排放的同时也存在显著的负排放现象,并且认为这一现象是由微生物介导的生物途径才能真正将N2O还原转化为无害的N2,这一过程只有反硝化菌中的nosZ基因编码的氧化亚氮还原酶(N2OR)才能催化进行。目前,国内外学者对稻田土壤N2O微生物消耗过程开展了初步研究,但都局限于一种土壤,对不同类型水稻土N2O消耗能力差异研究较少,本研究选取我国亚热带地区三种典型水稻土,利用室内培养,系统研究土壤类型、水分含量以及相关功能微生物对土壤N2O消耗潜力差异的影响。主要研究结果如下:(1)不同母质发育的不同类型水稻土土壤性质、土壤养分(NH4+-N、NO3--N、DOC)、功能微生物种群丰度均存在不同程度的差异,但不同类型水稻土N2O浓度随培养时间的增加均呈下降趋势。(2)在淹水密闭环境下,两个组处理组(未加外源N2O组和添加外源N2O组)中,三种水稻土N2O消耗潜力差异明显,N2O总消耗量表现AS1>QRC>AS2。未添加N2O处理的3种土壤分别消耗47.93%、17.87%、39.41%的N2O,表明无论是否添加外源N2O,三种水稻土壤在实验条件下都具备强大的消耗N2O的能力。此外,添加外源N2O处理的三种土壤分别消耗76.3%、83.6%和85.6%的N2O,表明外源添加N2O进一步刺激了三种水稻土N2O消耗能力。(3)土壤N2O消耗速率在不同土壤间的变化规律不同,AS1、AS2、QRC最大N2O消耗速率分别可达到2.05、1.02、1.06μg·(kg·h)-1,AS1消耗速率显著高于其他两种土壤。土壤质地、土壤pH和土壤有机碳含量是影响三种土壤N2O消耗潜力差异的主要因素,nosZ基因丰度的增加量也是驱动土壤N2O消耗能力差异的重要微生物因素。(4)在室内温度恒定的条件下,两个处理组中(未加外源N2O组和添加外源N2O组)不同水分条件(20%、35%、50%和70%质量含水量)分别消耗了38.30%、36.04%、44.92%、47.93%和68.33%、66.42%、66.65%、74.1%以上的N2O,表明AS1无论是在淹水状态还是相对干旱状态,自身均具有不可忽视的N2O消耗能力,这与土壤nosZ基因较高的绝对丰度密切相关,外源添加的N2O进一步刺激土壤N2O消耗潜力,土壤nosZ基因拷贝数也都随之显著升高。(5)不同水分条件下AS1 N2O总消耗量存在显著差异,水分含量较高(70%)AS1的N2O消耗量最高。各水分处理的水稻土中N2O消耗速率与土壤nosZ基因拷贝数的增长量呈显著正相关关系(P<0.01),两个处理组中(未加外源N2O组和添加外源N2O组)水分含量较高(70%)的AS1 nosZ基因拷贝数增加量分别为1.27×106、2.41×108copy numbers g-1,表明淹水厌氧环境能够激发功能微生物数量的增长,外源添加N2O可进一步刺激功能微生物的增加,使N2O消耗能力显著提升。
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