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。     

北方农牧交错带种植业能值分析 ——以武川县为例

应用能值理论从农户生产的角度分析了武川县种植业不同作物生产能值。结果表明：该县种植业生产系统能值投入率与产出率“双低”，应增加系统投入以提高产出水平；系统环境负荷率不高，不可更新环境资源破坏严重，应提高可更新环境资源利用效率、加强水土保持工作；辅助能值投入中有机能值略高于无机能值，应按适当比例增加辅助能值投入以提高系统生态经济效益，粮食产出能值中玉米、油菜所占比重高，系统结构调整应遵循生态经济原则，压缩马铃薯面积、提高玉米、油菜等作物播种面积。     

内蒙古阴山北麓干旱区不同种植模式对农田风蚀的影响

通过野外观测和室内试验，研究阴山北麓干旱区不同的种植模式对农田风蚀的影响，结果表明：（1）研究区具有发生风硅危害的潜在气候条件；（2）土壤不合理的翻耕是造成农田风蚀的重要因素，通过实行保护性的留茬免耕措施，可以有效抑制农田土壤风蚀。（3）不同作物种植条件下，条播作物农田风蚀量小于穴播作物。为了有效防治农田土壤风蚀，对作物进行高留茬处理和通过各种措施增加地表粗糙度，可以达到最大的防风蚀作用。（4）农事操作增大了土壤风蚀的潜在危险。     

农牧交错区不同耕作措施下莜麦的生长发育规律

为解决农牧交错带长期免耕下作物减产的问题,本研究通过定位试验,对覆盖和不覆盖条件下少免耕与翻耕莜麦的生长发育状况进行对比分析。结果表明：1）在无覆盖的条件下,免耕处理出苗率指数大于翻耕处理,且2006年深松处理出苗率指数（0.0840）与翻耕处理（0.0705）差异达显著水平;2）免耕与深松无覆盖处理根冠比大于翻耕处理;3）免耕无覆盖处理生物量及产量均显著小于翻耕处理;深松无覆盖处理根系生物量显著大于翻耕处理,但地上部生物量与产量小于翻耕处理,且产量差异显著,2005、2006年分别降低了15.8%和10.0%;免耕与深松无覆盖处理千粒重均大于翻耕处理,但差异不显著,2005年分别为19.7、18.9和17.6 g;4）免耕覆盖处理生长明显改善,但生物量及最终产量仍显著低于翻耕处理,2006年产量与翻耕处理相比降幅达19.7%,免耕覆盖处理对于莜麦产量的影响大于免耕耕作措施本身对莜麦产量的影响;深松覆盖处理生长状况及产量与翻耕处理间均无显著差异。覆盖下的深松（行距50 cm,深度40 cm,隔年进行）是适合农牧交错带的少免耕模式。     

固碳微生物分子生态学研究

 减缓大气“温室效应”是目前最重要且亟待解决的环境问题之一。自养微生物具有极强的环境适应性和不容忽视的固碳潜力，研究微生物固定CO2的分子生态机理对于缓解全球气候变暖具有重要科学意义。目前发现的5条主要生物固碳途径中，卡尔文循环是自养生物固定CO2的主要途径，其中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RubisCO）是卡尔文循环中的关键酶，因此RubisCO及其编码基因被许多学者用于不同生态环境中固碳微生物群落结构和多样性的研究。以前的研究主要集中在水生生态系统，揭示了不同水生生态系统中固碳微生物的群落特点及其对不同生境的响应规律。近几年，随着陆地生态系统固碳微生物分子生态学研究的深入，国外学者发现土壤中存在大量的固碳自养微生物，它们在土壤中所起的具体作用和贡献有待进一步研究和验证。至今，国内针对土壤固碳微生物分子生态学的研究还未见报道。论文对固定CO2的微生物种类、固定机理以及近年来关于微生物固定CO2的分子生态学的研究进行了分析和总结，讨论了固碳微生物分子生态学研究存在的主要问题和今后的发展方向，旨在为中国固碳微生物分子生态学研究提供参考。     

长期蔬菜种植对菜地土壤剖面硝酸盐分布和地下水硝态氮含量的影响

蔬菜种植具有集约化程度高和施肥量大等特点,但长期种植蔬菜对深层土壤硝酸盐含量与分布的影响及其与地下水NO3--N含量的关系尚需深入分析。以湖南长沙县黄兴镇蔬菜基地为研究对象,采集不同种植年限菜地的浅层地下水、0-100 cm土壤剖面样品和植物样品等分析NO3--N含量,探讨长期蔬菜种植对菜地土壤剖面硝酸盐分布和地下水硝态氮含量的影响。结果表明,蔬菜种植年限对地下水NO3--N含量影响明显(P0.05),老菜地区域地下水NO3--N含量为29-41 mg/L,均比新菜地区域高10 mg/L。菜地土壤剖面中NO3--N含量与蔬菜种植年限关系密切,当种植年限增加到20-30 a后,蔬菜土壤出现严重硝酸盐累积现象,0-100 cm共累积了NO3--N 602.3kg/hm2,耕层土壤及地下水中的NO3--N含量均与氮肥投入量正相关(P0.05)。研究表明,长期种植蔬菜土壤(20-30 a)不仅在0-100 cm土层中积累大量的硝酸盐,而且导致地下水中和蔬菜中NO3--N含量超标。因此,蔬菜种植需要通过科学施肥方法严格控制氮肥投入,拟达到环境和食品安全目的。     

化肥有机肥配施对油菜营养生长期根系分泌物的影响

探讨油菜营养生长期根系分泌有机酸和氨基酸对不同施肥处理的响应,为油菜安全高效生产提供理论依据。盆栽试验设置5 个化肥有机肥不同配施比例,分析油菜根系和地上部的干重及其根系分泌的有机酸和氨基酸的种类和含量。研究结果表明,油菜根系分泌有机酸以丙二酸、乙酸和柠檬酸为主,其中丙二酸和乙酸受施肥影响最为显著,有机肥配施显著降低二者分泌量。与单施化肥相比,有机肥配施显著减少了油菜根系分泌有机酸总量,并不同程度降低了地上部和根系生物量。化肥有机肥配施比例为1∶3 时有机酸总量降低最明显,但生物量与单施化肥无明显差异。油菜根系分泌氨基酸以谷氨酸和γ- 氨基丁酸为主,不同配施比例对油菜根系分泌35 种氨基酸种类的影响不大,但对氨基酸分泌总量影响显著。随有机肥配比的增加,氨基酸总量呈现先减少后增加的趋势。根系干重与有机酸分泌总量呈极显著正相关关系,但与氨基酸分泌总量无关,后者与土壤可溶性有机碳含量和细菌数量显著相关。油菜根系分泌有机酸和氨基酸所起的生态作用可能不同,前者可能是植物受到养分胁迫时的应激反应,后者可能是为了增强土壤活性。化肥有机肥1∶3 配比为油菜生长提供最均衡养分,为油菜施肥管理提供参考。     

南方双季稻区生物质炭还田模式生态效益评价

应用生态经济系统能值分析理论与方法,引入环境污染指数和能值反馈率2个新的指标,分析了无秸秆还田(CK,即常规施肥处理)、低量秸秆还田(LS)、高量秸秆还田(HS)、低量秸秆源生物质炭施用(LC)和高量秸秆源生物质炭施用(HC)5种秸秆还田模式的能值效益,从农业可持续发展水平来评价南方双季稻区最佳管理模式。结果表明:秸秆还田显著增加了农田温室气体能值产出,LS、HS处理分别是CK处理的1.94倍和2.92倍,分别减少了8.13%和10.80%的水稻生物量能值产出。秸秆源生物质炭还田温室气体能值产出与常规施肥处理(CK)差别不大,但明显低于秸秆直接还田,减少了49.10%~59.36%。秸秆源生物质炭还田增加了水稻生物量能值产出,比常规施肥处理(CK)增加了4.32%~10.49%,比秸秆直接还田增加了16.96%~20.27%。5种秸秆还田模式,能值产投比早稻季依次为:LCHCCKHSLS,晚稻季依次为:HCLCCKLSHS。综合评价双季稻生态系统可持续发展水平,早稻和晚稻季节HC均高于其他模式。因此,从能值效益角度,高量秸秆源生物质炭还田是该区域双季稻生产中最优的秸秆还田模式,可以大力推广。     

土壤氮循环微生物过程的分子生态学研究进展

固氮作用、硝化作用和反硝化作用是土壤微生物参与氮素循环的三个重要方面。自分子生态学方法应用于土壤学后,土壤微生物作用于氮素循环过程的机理研究取得了若干重要进展。包括:1)利用固氮菌的nifH基因作为分子标记研究有机质、氮素与固氮微生物之间的关系,发现固氮微生物的丰度和群落结构与土壤有机质含量呈正相关。然而,固氮微生物的丰度和群落结构与土壤速效N含量呈负相关,施用氮肥会抑制固氮微生物的生长,施氮土壤固氮微生物数量减少,多样性降低。2)以氨氧化微生物功能基因为探针,揭示了土壤pH与氨氧化微生物分布关系密切,碱性土壤中氨氧化细菌是硝化作用主要参与者,而酸性土壤中氨氧化古菌是硝化作用的主导者。土壤中N素的含量也影响氨氧化微生物的数量和群落结构,施入氮肥后氨氧化微生物的数量和活性增加。3)利用反硝化功能基因为分子标记研究土壤因子对反硝化细菌群落的影响,阐明了土壤可溶性有机碳、pH和土壤水分是影响反硝化细菌数量和群落结构的重要因子,并且发现土壤反硝化细菌与土壤反硝化能力和氧化亚氮释放之间存在着一定的联系,但这种联系在不同研究对象中存在差异,需要进一步确认。目前,利用分子生物学技术解析土壤氮素循环微生物生态功能取得了重要的进展,但还需进一步深入。今后,将采用包括同位素在内的示踪技术与分子生物学方法相结合共同分析氮循环不同代谢过程微生物种群间的相互关系以及氧化亚氮产生与硝化和反硝化微生物之间的关系。     

北方农牧交错带免耕对农田耕层土壤温度的影响

针对北方农牧交错带部分地区免耕措施生态效益好但作物产量有所下降的现状，为了找出影响作物生长的因素，对比分析了免耕和翻耕两种耕作方式下耕层土壤温度的变化。结果表明：免耕地升温和降温都比较缓慢且幅度小，翻耕地土壤温度在日间总体高于免耕地。在垂直方向上，土壤温度随土层深度降低，但一天中不同时刻的表现差异显著。土壤温度变化与当时气温呈正相关关系, 相关系数大于0.5。与免耕地相比，翻耕地气温与土壤温度的直线回归关系更显著。受土壤温度等物理性状的影响，免耕地作物生物量及产量明显不如翻耕地。因此，北方农牧交错带要通过农艺措施改善土壤物理结构，提高免耕农田作物产量。