不同根系分泌物对土壤N2O排放及同位素特征值的影响

【目的】探究植物根系分泌的主要组分（有机酸、氨基酸、糖类）对土壤N₂O排放及其微生物过程的影响,为选择适宜的植物进而控制土壤N₂O排放提供支撑。【方法】通过室内试验分别添加草酸、丝氨酸、葡萄糖于土壤中模拟根系的3种主要分泌物,每种分泌物设置两个浓度水平：低浓度（150 μg C·d ^-1）和高浓度（300 μg C·d ^-1）,另设置添加蒸馏水的对照组,共7个处理。将土壤置于120 mL玻璃瓶中进行培养,24 h内采集气体样品7次,每次培养2 h,获取N₂O排放速率、日累积排放量和同位素特征值（δ ¹⁵N ^bulk、δ ¹⁸O和SP（site preference,SP=δ ¹⁵N ^α-δ ¹⁵N ^β））。【结果】添加3种根系分泌物组分后,土壤N₂O排放速率均逐渐升高,且均高于对照。高浓度处理组N₂O累积排放量为：葡萄糖（（3.2±1.3）mg·kg ^-1·d ^-1）处理>丝氨酸（（2.6±0.5）mg·kg ^-1·d ^-1）处理>草酸（（1.4±0.2）mg·kg ^-1·d ^-1）处理,低浓度处理组为：草酸（（2.7±1.3）mg·kg ^-1·d ^-1）处理>丝氨酸（（1.8±0.4）mg·kg ^-1·d ^-1）处理>葡萄糖（（1.6±0.8）mg·kg ^-1·d ^-1）处理;添加根系分泌物的不同处理间土壤N₂O的δ ¹⁸O值无明显差异,并稳定在24.1‰—25.6‰,且均显著高于对照（（20.1±1.5）‰）;土壤N₂O的δ ¹⁵N ^bulk值与添加根系分泌物的种类有关,其中草酸处理组为（-20.06±2.22）‰、丝氨酸处理组为（-22.33±1.10）‰、葡萄糖处理组为（-13.86±1.11）‰、对照组为（-23.14±3.72）‰。各处理土壤N₂O的SP值的变化范围为13.13‰—15.03‰,根系分泌物浓度越高,SP值越低。综合分析不同处理4个指标（N₂O排放速率、N₂O的δ ¹⁵N ^bulk、δ ¹⁸O和SP值）的不同时刻的检测值与日均值的校正系数,添加根系分泌物后第16小时各处理4个指标的校正系数最接近于1。【结论】在NH+ 4-300 mg N·kg ^-1的土壤环境下根系分泌物促进N₂O的排放,且在培养期间（24 h）土壤N₂O排放速率逐渐升高。高浓度处理组葡萄糖对土壤N₂O排放速率促进效果最强,低浓度处理组草酸对土壤N₂O排放速率促进效果最强。与对照组相比,根系分泌物的添加使N₂O的δ ¹⁸O值显著升高;与对照组相比,葡萄糖的添加使δ ¹⁵N ^bulk值显著升高。根系分泌物浓度越高,反硝化作用对N₂O的贡献越大。     

稻田生态系统氧化亚氮(N_2O)排放微生物调控机制研究进展及展望

氧化亚氮(N_2O)是第三大温室气体,对全球气候变化具有显著影响。稻田是重要的N_2O排放源,追踪稻田N_2O产生及排放关键过程的微生物调控机制,可以为农田土壤氮素循环研究以及稻田N_2O减排提供有价值的信息。微生物调控的硝化作用和反硝化作用是稻田N_2O排放的主要来源。基于此,我们在过去十年的研究中,依托中国科学院桃源农业生态试验站,以水稻田淹水-落干和施肥为关键过程,从水稻根际、土层深度、反应底物浓度等方面探明了土壤硝化反硝化过程和N_2O排放特征及其微生物调控机制;提出了开发稻田土壤微生物资源,提高土壤N_2O消纳能力的可能策略;构建了可以有效降低稻田氮素损失和N_2O排放的基于化肥一次性深施的减氮控磷施肥技术,并在实际农业生产中进行了示范推广。本文对上述研究取得的成果,以及国内外相关研究结果进行了全面综述。结合分子生物技术在土壤科学研究中的应用,今后的研究工作将会从以下几个方面开展:1)解析土壤微生物与土壤生产力和生态环境之间的关系;2)在基因组和转录组水平构建农田土壤碳氮循环功能微生物分析平台;3)解析土壤微生物分布与生态功能之间的关联机制;4)根系—土壤—微生物之间的协同机制以及植物—内生菌—土壤微生物之间相互影响的分子机制;5)加强对实用技术的研发,把基础研究成果转化为生产力,服务农业生产和生态文明建设。     

2株可培养细菌氮代谢特性的研究

研究旨在分析土壤中可培养细菌菌株的氮代谢特征,并进一步探讨微生物在土壤氮素转化中的可能作用机制。以2株分离自苹果园土壤的细菌菌株SY5-4和SY11-10为试材,采用传统培养方法结合分子检测技术,分别测定菌株生长特性及其氮素转化能力。研究结果表明,异养条件下,菌株SY5-4和SY11-10的世代时间分别为243.5 min和202.7 min。菌株生长过程中,培养液中铵态氮浓度始终维持在较高水平,铵态氮、亚硝态氮和硝态氮浓度均表现出先升后降的趋势。硝化（amoA和hao）和反硝化（nosZ、norB、nirK和nap）基因检测结果表明,菌株SY11-10具有多种氮素转化潜能。综上,供试菌株培养过程中,培养液中氮素发生变化,并在菌体中检测到不同氮转化基因,表明菌株参与多种氮代谢途径。     

复合益生菌发酵液的功能特性及对对虾诱食效果

为探求复合菌发酵液的多种功能,该试验选择具有脱氮、产酶、抑菌等优良性能的酵母菌、乳酸菌及芽孢杆菌各1株,利用已优化的HJ培养基进行共培养,实时监测发酵过程,分时段取样,对复合菌发酵液的脱氮、产酶、抑菌、培藻及诱食等功能进行研究。结果表明,酿酒酵母菌NJ-02、屎肠球菌SC-01及枯草芽孢杆菌M7-1能够在HJ培养基中进行共发酵,连续培养24 h后3株微生物活菌数量分别达到3.88×10~8、2.41×10~(10)、5.38×10~9 CFU/mL。复合菌发酵液的脱氮、培藻性能同复合菌中枯草芽孢杆菌M7-1的活菌数相关较大,发酵至16h其降解亚硝态氮和培藻性能最为理想,亚硝态氮降解率为89%,并使小球藻叶绿素a质量分数提升49.6%。复合菌发酵液具有同枯草芽孢杆菌M7-1相当的产酶(蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶)活性及同屎肠球菌SC-01相当的抑菌(副溶血弧菌)活性。复合菌发酵液饲喂对虾,诱食效果明显好于对照组(P0.05),同化学诱食剂二甲基-β-丙酸噻亭(dimethyl-beta-propiothetin hydrochloride, DMPT)差异不显著,其肠道中乳酸菌、酵母菌数目显著高于对照组及化学诱食剂组(P 0.05)。该研究所制备的脱氮、培藻、抑菌及诱食功能复合菌发酵液,为可持续生态水产养殖提供了新的微生物资源和技术方法。     

草甸草原模拟氮沉降抑制甲烷吸收、促进氧化亚氮排放

Few studies are conducted to quantify the effects of enhanced N deposition on soil nitrous oxide (N2O) emission and methane (CH4) uptake in the meadow steppe of Inner Mongolia,China.A two-year field experiment was conducted to assess the effects of nitrogen (N) deposition rates (0,10,and 20 kg N ha-1 year-1 as (NH4)2SO4) on soil N2O and CH4 fluxes.The seasonal and diurnal variations of soil N2O and CH4 fluxes were determined using the static chamber-gas chromatography method during the two growing seasons of 2008 and 2009.Soil temperature,moisture and mineral N (NH4+-N and NO3--N) concentration were simultaneously measured.Results showed that low level of (NH4)2SO4 (10 kg N ha-1 year-1) did not significantly affect soil CH4 and N2O fluxes and other variables.High level of (NH4)2SO4 (20 kg N ha-1 year-1) significantly increased soil NO3--N concentration by 24.1％ to 35.6％,decreased soil CH4 uptake by an average of 20.1％,and significantly promoted soil N2O emission by an average of 98.2％.Soil N2O emission responded more strongly to the added N compared to CH4 uptake.However,soil CH4 fluxes were mainly driven by soil moisture,followed by soil NO3--N concentration.Soil N2O fluxes were mainly driven by soil temperature,followed by soil moisture.Soil inorganic N availability was a key integrator of soil CH4 uptake and N2O emission.These results suggest that the changes of availability of inorganic N induced by the increased N deposition in soil may affect the CH4 and N2O fluxes in the cold semi-arid meadow steppe over the short term.     

Characterization of vegetable nitrogen uptake and soil nitrogen transformation in response to continuous molybdenum application

Molybdenum (Mo), a plant micronutrient, is involved in nitrogen (N) cycling of global ecosystem, but little is known about its effect on soil N transformation especially the key processes nitrification and denitrification. A long‐term field experiment was carried out to investigate the effects of continuous sufficient soil available Mo on vegetable N uptake and soil N transformation. The experiment consisted of three treatments: control (CK), Mo deficiency (NPK), and Mo application (NPK+Mo). The results show that (1) after a 7‐year‐experiment, continuous Mo application significantly increased soil available Mo content. (2) Compared to the NPK treatment, NPK+Mo treatment showed an increase of 11, 18, and 8% in the cumulative crop yield, plant N uptake, and N fertilizer use efficiency. (3) With continuous Mo application, the soil , , microbial biomass N, and total N contents were reduced by 14, 29, 40, and 12%, the soil nitrate reductase (NR) and nitrite reductase (NiR) activities were reduced by 14 and 8%, as well as the potential denitrification activity (PDA) and gross nitrification rate (GNR) were decreased by 64 and 80%, respectively. Additionally, continuous Mo application decreased the abundance of ammonia‐oxidizing archaea (AOA) and increased the abundance of narG‐containing denitrifiers (narG) and nirK‐type nitrite reducers (nirK) significantly. The data suggest that a deficiency in soil available Mo may induce the risk of soil N accumulation and environmental N emission in vegetable soil, whereas continuous Mo application could mitigate this risk by increasing crop yield and N uptake and, by decreasing soil N residues, soil nitrification and denitrification.     

Mitigation of nitrous oxide (N2O) emission from swine wastewater treatment in an aerobic bioreactor packed with carbon fibers

Mitigation of nitrous oxide (N₂O) emission from swine wastewater treatment was demonstrated in an aerobic bioreactor packed with carbon fibers (CF reactor). The CF reactor had a demonstrated advantage in mitigating N₂O emission and avoiding NOx (NO₃ + NO₂) accumulation. The N₂O emission factor was 0.0003 g N₂O‐N/gTN‐load in the CF bioreactor compared to 0.03 gN₂O‐N/gTN‐load in an activated sludge reactor (AS reactor). N₂O and CH₄ emissions from the CF reactor were 42 g‐CO₂ eq/m³/day, while those from the AS reactor were 725 g‐CO₂ eq/m³/day. The dissolved inorganic nitrogen (DIN) in the CF reactor removed an average of 156 mg/L of the NH₄‐N, and accumulated an average of 14 mg/L of the NO₃‐N. In contrast, the DIN in the AS reactor removed an average 144 mg/L of the NH₄‐N and accumulated an average 183 mg/L of the NO₃‐N. NO₂‐N was almost undetectable in both reactors.     

利用膜进样质谱仪测定水稻土几种厌氧氮转化速率

为了在同一体系下区分和测定水稻土反硝化、厌氧氨氧化(Anammox)和硝酸根异化还原成铵(DNRA)过程发生速率和相互关系,并获取近似原位情况下的净脱氮速率,本研究通过将~(15)NH_4~+化学氧化法测定DNRA速率和添加尿素模拟原位土柱测定净脱氮速率与膜进样质谱法(MIMS)进行联用,完善了一套基于膜进样质谱法(MIMS)的稻田硝态氮转化测定方法体系,利用该方法测定了5种典型的水稻土[辽宁营口(YK)、江苏宜兴(YX)、浙江金华(JH)、广西桂林(GL)和四川广安(GA)]的反硝化、Anammox、DNRA和净脱氮4种氮转化速率。结果显示:基于MIMS的方法体系可实现对水稻土中反硝化、Anammox、DNRA和净脱氮速率的测定,5种水稻土反硝化、Anammox、DNRA和净脱氮速率范围分别为(358.63±25.37)～(479.96±22.12)、(-14.81±0.22)～(5.29±1.22)、(25.76±12.71)～(109.87±3.88)g N·hm~(-2)·h~(-1)和(33.33±11.16)～(72.74±14.18)g N·hm~(-2)·h~(-1),相关结果与其他方法研究结果具有可比性。相关性分析显示:水稻土NO_3~-、可溶性有机碳(DOC)和土壤Fe~(2+)含量是反硝化过程的主要限制因素;NO_3~-是Anammox的关键限制因素;而土壤DOC和Fe~(2+)含量是DNRA过程的主要限制因素。基于MIMS的方法体系可以在短时间内(1周)测定水稻土四种厌氧氮转化速率,且所需样品量低、精确度高,在稻田或湿地土壤厌氧氮转化过程研究中有很好的应用前景。     

不同补水方式下砂壤土渗滤系统对硝态氮去除效果

在水资源短缺的北京地区利用再生水回补城市河湖,一方面对于水资源的可持续利用有着十分重要的作用,另一方面也可能带来地下水环境的潜在污染风险.该文采用100 cm砂壤土柱模拟(河湖岸底)土地渗滤系统,设置定水头淹水、交替淹水落干、定流速补水和侧向补水4种不同再生水回补方式,研究再生水中硝态氮(NO3-N)在土地渗滤系统中的去除效果和迁移转化规律.结果表明,当水力负荷在0.25~2.65 cm/d范围内时,渗滤系统对NO3-N的去除率随着水力负荷的增大而减小;侧向补水方式下渗滤系统对NO3-N的去除效果最优,平均去除率高达96.1%.在定水头淹水和侧向补水方式下,系统对NO3-N的去除主要发生在土柱的上部,而交替淹水落干和定流速补水条件下,土柱中下部对NO3-N也有一定的去除作用.渗滤系统对NO3-N的去除主要取决于系统内部微生物的分布情况,土层中的反硝化细菌数量越大,该土层对NO3-N的去除率就越高.当水温在15~32℃范围内变化时,定水头淹水和交替淹水落干补水方式下,系统对NO3-N的去除率与温度分别呈指数和幂函数关系.该研究表明土地渗滤系统可实现再生水的进一步净化处理,可为再生水安全回补河湖提供参考.     

水稻土和菜田添加碳氮后的气态产物排放动态

【目的】动态连续监测添加碳氮底物后各气体产物—O2、 NO、 N2O、 CH4和N2的排放,对土壤碳氮转化过程和气体产生过程做更深入的理解,揭示不同土地利用方式典型红壤的温室气体产生机制。【方法】采集长江中游金井小流域不同土地利用方式稻田和菜地土壤为研究对象,利用全自动连续在线培养检测体系(Robot系统),通过两组试验分别研究土壤碳氮转化过程中各气体产物的动态变化。试验1采用菜地和稻田土壤进行好气培养,设置不施氮对照、 添加40 mg/kg铵态氮、 添加40 mg/kg铵态氮+1%硝化抑制剂、 添加40 mg/kg硝态氮、 添加40 mg/kg硝态氮+1%葡萄糖、 缺氧条件下添加40 mg/kg硝态氮+1%葡萄糖6个处理。试验2采用稻田土壤进行淹水培养,设不施氮对照、 添加40 mg/kg铵态氮、 添加40 mg/kg铵态氮+1%硝化抑制剂、 添加40 mg/kg铵态氮+1%秸秆、 缺氧条件下添加40 mg/kg铵态氮+1%的葡萄糖、 添加40 mg/kg硝态氮、 添加40 mg/kg硝态氮+1%葡萄糖、 缺氧条件下添加40 mg/kg硝态氮+1%葡萄糖8个处理。培养温度均为20℃,土壤水分含量为70% WFPS (土壤孔隙含水量),培养周期为15天。【结果】从菜地和稻田土壤不同碳氮添加处理气态产物及无机氮的动态变化可看出: 1)菜地土壤好气培养初期硝化作用产生了大量N2O; 受低碳和低含水量的限制,反硝化作用较弱。当提供充足碳源和厌氧条件,出现N2O和NO的大量排放。2)在好气稻田和淹水稻田培养过程中,反硝化作用是N2O产生的主要途径。3)稻田土壤中,提供充足碳源和厌氧条件,各气态产物出现的顺序依次是NO、 N2O和N2,与三种气体在反硝化链式反应过程中的生成顺序一致。淹水稻田加铵态氮和碳源处理N2为主要产物,添加硝态氮处理后,N2O成为主要气态产物。当土壤碳源充足时,反硝化过程进行彻底,反硝化产物以终产物(N2)为主。4)在稻田土壤出现厌氧或添加碳源条件下,均检测到大量CH4产生; 且在甲烷产生的同时,NO-3几乎消耗殆尽。【结论】金井小流域典型红壤菜地N2O主要来自于硝化作用,好气和淹水稻田N2O主要来源于反硝化作用; 当碳源充足和厌氧时,菜地及稻田反硝化作用增强; 反硝化产物组成、 产物累积量及出峰顺序与碳源和氧气浓度有关。