生物炭与氮肥对稻田甲烷氧化菌和产甲烷菌数量和潜在活性的影响

基于稻田中氮肥配施生物炭的田间定位试验,研究了施用生物炭与氮肥对旱季稻田土壤理化性质、甲烷氧化与产生潜势及甲烷氧化菌和产甲烷菌丰度的影响。田间试验共设置5个处理：单施生物炭、单施氮肥、氮肥配施生物炭（生物炭设置两个水平）以及对照。结果表明：施用生物炭三年后显著提高了有机碳和微生物生物量碳含量（p﹤0.05）,与单施氮肥处理相比,氮肥配施生物炭后可显著提高土壤pH。与对照相比,单施生物炭显著提高土壤甲烷氧化潜势。在施氮条件下,甲烷氧化潜势与生物炭施用量之间存在正相关关系,与氮肥配施20 t hm-2处理相比,40 t hm-2生物炭处理甲烷氧化潜势增长53.8%。氮肥配施高倍生物炭与配施低倍生物炭处理相比产甲烷潜势由0.001提高至0.002 mg kg-1 h-1;氮肥施用一定程度上抑制了甲烷氧化菌数量的增长,单施氮肥处理中产甲烷菌数量较对照处理显著增加了3.0%;单施或配施低水平生物炭显著增加土壤甲烷氧化菌数量。氮肥显著降低了甲烷氧化菌与产甲烷菌基因丰度比（pmoA/mcrA）。而在同氮肥水平下施加生物炭显著增加了土壤pmoA/mcrA比值,即生物炭对甲烷氧化菌的促进作用显著高于产甲烷菌,提高了旱季稻田土壤的甲烷氧化能力,因此有助于减少稻田土壤甲烷的排放。     

生物炭改性黏土的渗水渗气特性及其函数关系

黏土中施加生物炭可改变土体的孔隙结构。生物炭掺量和干密度均会对土体的渗透系数产生影响,准确确定生物炭-黏土混合土的渗透系数对满足填埋场上覆层的功能需求就显得格外重要。采用自主研发设计的柔性壁水-气联合渗透测试装置,测定不同生物炭掺量和干密度的生物炭-黏土混合土的饱和渗透系数和渗气系数,得到生物炭掺量、干密度与渗气系数和渗水系数间的关系曲线。建立生物炭掺量和干密度双变化条件下的渗气渗水函数,并通过验证组验证该函数的适用性。研究结果表明：在干密度较小时,对比纯黏土的渗水率,添加5%、10%、15%和20%生物炭处理后的土样渗水系数k_w值分别为8.25×10^-17、8.89×10^-17、10.40×10^-17和18.25×10^-17 m²,掺20%生物炭土样的渗透率增加了将近一个数量级。渗气渗水函数基于易测定的渗气率作为自变量,同时又考虑了干密度和生物炭掺量的影响,能快速、准确地确定土样的渗水系数。结合验证组试验得出,利用该函数计算得到的渗水系数和试验实测值吻合程度较好,表明该函数具有一定的适用性。本研究结果可为快速、准确确定渗水系数,定量描述非饱和土孔隙中水气运动之间的相互影响提供理论支撑。     

土壤CH4氧化与土壤甲烷营养菌及主要研究方法

甲烷营养菌(methanotrophs)是一类以CH4为唯一碳源和能源的细菌,广泛分布在水稻土、森林土、苔原土、泥炭地、海洋与湖泊底泥、堆肥、垃圾填埋场及地下水等环境中,并作为大气甲烷(CH4)唯一的生物汇(库),在全球温室效应研究中备受关注。目前,关于土壤甲烷营养菌的研究主要包括菌株的多样性、生态分布以及环境因素对微生物氧化CH4过程的影响。本文从甲烷营养菌的分类入手,概述稻田土壤CH4的氧化与释放、旱地土壤CH4的氧化以及影响土壤CH4氧化的因素等方面的研究进展,同时介绍了土壤甲烷营养菌研究领域的几种主要的分子研究技术,以期为甲烷营养菌相关的研究提供参考。     

生物质炭提高稻田甲烷氧化活性

为了揭示生物质炭输入对稻田根际土壤产甲烷和甲烷氧化活性的影响,该文通过1a 的田间试验,研究了2种原料制备的生物质炭（竹炭和水稻秸秆炭）对水稻根际土壤产甲烷和甲烷氧化活性的影响。结果表明,2种生物质炭因理化性质的不同,对水稻根际土壤产甲烷活性和甲烷氧化活性的影响存在较大差别。秸秆炭的输入可以显著提高水稻苗期根际土壤产甲烷活性,而竹炭在水稻的整个生长期对根际土壤产甲烷活性均没有显著性影响。竹炭和秸秆炭不稳定易降解组分含量的差异,使其对稻田土壤产甲烷微生物产生不同程度的影响,进而导致稻田根际土壤产甲烷活性响应差别。除抽穗期竹炭处理和成熟期秸秆炭处理,尿素施加并未显著改变生物质炭对根际土壤产甲烷活性的影响趋势。在水稻整个生长期,秸秆炭和竹炭对稻田土壤甲烷氧化活性都有促进作用,但只有秸秆炭在苗期和成熟期表现出显著性的差异。尿素对苗期和抽穗期根际土壤甲烷氧化活性有促进作用。与竹炭相比,秸秆炭输入在改善土壤通气条件、提高土壤pH值和电导率EC、以及K、P元素含量等方面更为有效,同时可能是秸秆炭对水稻根际土壤甲烷氧化活性产生显著性促进作用的潜在机理。     

土壤甲烷单加氧酶活性测定的研究

以垃圾生物覆盖土、垃圾填埋场覆盖土、菜地土为材料,研究了土壤甲烷单加氧酶(Methane monooxygenase,MMO)活性的测定条件。结果表明:0.04 g kg-1 NaN3含量可抑制土壤生物活性,可作为土壤MMO活性测定时的对照;最适的底物丙烯浓度可为0.5%;培养时间对土壤MMO活性测定影响不大,但从测定的误差和可靠性考虑,可选用5 d作为土壤MMO活性测定的培养时间。统计分析表明:采用该方法测定的土壤MMO活性与其甲烷氧化潜力有很好的线性关系。     

湿地变形菌门甲烷氧化菌群的缺氧能量代谢

甲烷氧化菌以甲烷作为碳源和能源,在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要角色。甲烷生物氧化过程跨越不同氧化还原生态位,近年来的研究表明,在湿地缺氧生态位下变形菌门甲烷氧化菌具有代谢潜力,但其能量代谢机制尚不清楚。本研究基于生物电化学技术、矿物学实验及微生物组学方法,结果表明变形菌门甲烷氧化菌主导的菌群具有直接和间接胞外电子传递潜力;在氧气耗尽时,甲烷氧化菌群可利用水铁矿作为电子受体完成能量代谢过程,缺氧体系中γ-Proteobacteria纲的甲烷氧化菌和非甲烷氧化微生物共同驱动铁矿还原。本研究探讨了变形菌门甲烷氧化菌主导菌群的缺氧能量代谢过程,拓展了反硝化厌氧甲烷氧化菌及厌氧甲烷氧化古菌主导的缺氧甲烷氧化理论,为甲烷生物控制提供了理论支持。     

生物炭与氮肥对稻田甲烷产生与氧化菌数量和潜在活性的影响

基于稻田中氮肥配施生物炭的田间定位试验,研究了施用生物炭与氮肥对旱季稻田土壤理化性质、甲烷氧化与产生潜势及甲烷氧化菌和产甲烷菌丰度的影响。田间试验共设置5个处理:单施生物炭、单施氮肥、氮肥配施生物炭(生物炭设置两个水平)以及对照。结果表明:施用生物炭三年后显著提高了有机碳和微生物生物量碳含量(p﹤0.05),与单施氮肥处理相比,氮肥配施生物炭后可显著提高土壤p H。与对照相比,单施生物炭显著提高土壤甲烷氧化潜势。在施氮条件下,甲烷氧化潜势与生物炭施用量之间存在正相关关系,与氮肥配施20 t hm-2处理相比,40 t hm-2生物炭处理甲烷氧化潜势增长53.8%。氮肥配施高倍生物炭与配施低倍生物炭处理相比产甲烷潜势由0.001提高至0.002 mg kg-1 h-1;氮肥施用一定程度上抑制了甲烷氧化菌数量的增长,单施氮肥处理中产甲烷菌数量较对照处理显著增加了3.0%;单施或配施低水平生物炭显著增加土壤甲烷氧化菌数量。氮肥显著降低了甲烷氧化菌与产甲烷菌基因丰度比(pmo A/mcr A)。而在同氮肥水平下施加生物炭显著增加了土壤pmo A/mcr A比值,即生物炭对甲烷氧化菌的促进作用显著高于产甲烷菌,提高了旱季稻田土壤的甲烷氧化能力,因此有助于减少稻田土壤甲烷的排放。     

FACE对水稻土产甲烷菌和甲烷氧化菌种群及其活性的影响

利用江都市小记镇的稻-麦轮作FACE平台,采用最大可能(MPN)法,在2005年水稻生长季研究了不同施肥(常规N量和低N量)、不同秸秆还田(秸秆全还田和秸秆不还田)处理土壤中的产甲烷菌和甲烷氧化菌数量在大气CO2浓度升高(FACE)条件下随时间的变化情况,并且借助气相色谱测定了土壤的产甲烷潜力和甲烷氧化潜力。结果表明:在秸秆全还田情况下,FACE对于产甲烷菌在分蘖期具有促进作用,而在抽穗期与收获期具有抑制作用,这种作用在低N条件下达到显著性(P<0.05)水平。而秸秆不还田情况下,FACE对产甲烷菌无明显促进作用;在低量N的施用情况下,FACE对于土壤甲烷氧化菌的活性具有刺激作用,在水稻抽穗期土壤甲烷氧化菌数量明显地高于对照,达到显著性水平(P<0.05);而常规施N量秸秆全还田的情况下,在水稻的分蘖期、拔节期和收获期FACE土壤中的甲烷氧化菌数量却受到一定程度的抑制。土壤的产甲烷潜力测定结果表明,FACE能促进土壤的CH4释放,尤其是在常规N量施用条件下。当底物(加入外源CH4)充足时,FACE条件下能使土壤具有较高的氧化CH4的能力,其CH4氧化潜力明显大于对照土壤,并且这种作用在常规N肥施用条件下尤为明显,达极显著性水平(P<0.01)。     

水稻田土壤甲烷氧化活性及其环境影响因子的研究

报道环境因子土壤含水量、温度和pH对发育于河流沉积物母质的水稻田土黄松泥田土氧化外源甲烷活性影响的研究结果。表明土壤中存在有氧和无氧两个甲烷氧化系统。有氧甲烷氧化系统 (AMOS)最适条件下的氧化甲烷最大活性比无氧甲烷氧化系统(AAMOS)最适条件下的氧化甲烷最大活性高 1至 2倍。在土壤通气良好的条件下 ,AMOS占主导地位 ,在无氧或极微氧的土壤中 ,AAMOS起主要作用。影响活性的主要因子是土壤的分子氧含量、甲烷含量、水含量、温度和pH值。分子氧对AAMOS氧化甲烷的活性具有一定抑制作用 ,土壤中甲烷量和含水量对AAMOS氧化甲烷活性的影响比对AMOS氧化甲烷活性的影响更为强烈。土壤氧化甲烷的活性对温度较为敏感 ,其最适氧化甲烷的温度范围在 2 5～ 35℃之间。当土壤在 5 0℃培养的时间超过 6h后 ,土壤氧化外源甲烷的活性全部丧失 ,且不能在2 8℃下得到恢复。pH是另一个影响土壤氧化甲烷的重要环境因子。其最适pH范围在 6～ 7之间 ,pH低于 3或pH高于 9时 ,几乎完全丧失氧化外源甲烷的活性。     

氮肥对土壤氧化甲烷的影响研究

阐述了N肥用量、品种对土壤氧化甲垸(CH_4)的影响以及高浓度CH_4对这一影响的反作用,土壤可通过固定一定量的外源N确保土壤具有相对稳定的氧化大气CH_4能力,N含量低的土壤适量施用N肥可刺激甲烷氧化菌繁殖和功能的发挥,促进大气CH_4氧化。但当外源N用量超出一定范围时甲烷氧化菌Type Ⅰ对环境变化十分敏感,会产生抑制作用并表现为长期和短期2种效应,铵态氮具有短期更具长期效应,其直接结果是引起土壤中甲炕氧化菌尤其是Type Ⅰ数量的减少和作用的减弱,该抑制作用是单向、不可逆的。由于甲烷氧化菌Type Ⅰ和Ⅱ可被高浓度CH_4激活,不易受N肥的长期影响,有些水田土壤施用N肥甚至促进甲烷氧化菌繁殖,即N的影响是双向且可逆的。     

温度对不同生态系统土壤甲烷氧化过程和甲烷氧化细菌的影响

温室气体的大量人为排放导致了近百年来的全球气候变化。甲烷是重要的温室气体,随着全球气温升高,甲烷排放量会随之增加,进一步加剧了全球温室效应。土壤是甲烷重要的源和汇,土壤中的甲烷氧化细菌在平衡甲烷的释放过程中发挥着关键作用。探究温度变化对土壤甲烷氧化能力的影响成为近年来的研究热点。本文综述了温度对土壤甲烷氧化过程以及甲烷氧化细菌的影响,分析了在不同温度下,各生态系统中的土壤甲烷氧化及甲烷氧化细菌响应特点和规律,比较了不同生态系统中土壤发生甲烷氧化的温度范围以及甲烷氧化菌株的生长温度范围。综述结果表明,不同生态系统能够发生甲烷氧化的温度范围不同;在能发生甲烷氧化的温度范围内,甲烷氧化速率随温度升高而增加;培养温度与土壤原位温度越相近时,甲烷氧化响应较为灵敏。与温度对甲烷氧化过程的影响类似,甲烷氧化细菌的丰度也随着温度升高而增加,并与增温幅度、优势甲烷氧化细菌的原位生长温度密切相关。土壤中的II型甲烷氧化细菌对温度较敏感,随着温度升高,II型甲烷氧化细菌丰度增加,因此,温度会通过影响甲烷氧化细菌的丰度和群落结构,从而影响甲烷氧化过程。但温度是否仅通过调控优势菌种更替来改变土壤甲烷氧化能力目前还尚未定论,未来需要进一步探究。本文讨论了土壤甲烷氧化过程对温度的响应及其微生物机制,可为全面解析全球变暖下的土壤甲烷氧化过程的变化提供参考。     

Meta分析生物质炭对中国主粮作物痕量温室气体排放的影响

该文采用Meta分析方法定量分析生物质炭输入对中国主粮作物痕量温室气体的影响,研究可为农田痕量温室气体减排提供有效的途径.结果表明相对于不施加生物质炭,生物质炭输入对甲烷吸收/排放并无显著影响,而甲烷排放在不同耕作和施氮情况下发生显著变化.旋耕和不施氮情况下施加生物质炭分别显著提高稻田甲烷排放达30%和46%,而在翻耕和施氮的情况下施加生物质炭可减少稻田甲烷排放达9%和10%.生物质炭输入分别可显著减少主粮作物氧化亚氮、全球增温潜势(global warming potential,GWP)及温室气体排放强度(greenhouse gas intensity,GHGI)达41%、18%及25%.不同土地利用类型、耕作类型、生物质炭施用量及生物质炭类型均可显著影响农田氧化亚氮、GWP和GWPI.合理的管理主粮作物生物质输入可为减少温室气体排放做出贡献,建议生物质炭与施氮和翻耕2种农作措施相结合,施加小于10 t/hm2及碳氮比(C/N)低于80的生物质炭,以利于主粮作物综合温室效应的减排.     

Effects of Leachate Irrigation on Landfill Vegetation and Subsequent Methane Emissions

Short-rotation tree forests are irrigated with landfill leachate to reduce both leachate volume and nutrient content. It is of interest both for leachate treatment and energy recovery to optimise the productivity of such plantations. This study's aim was to investigate the effects of irrigation on soil quality, tree growth and on emissions of landfill gas (LFG) produced in the wastes. Soils irrigated with leachate had a higher average nutrient and organic matter contents, and a lower dry solids content. Larger trees occur on plots irrigated with leachate, presumably due to the positive effect of water and nutrient supply. The willows used in this experiment seemed to be tolerant of high carbon dioxide concentrations, as no statistically effect arising from LFG emissions could be linked to tree growth. Methane oxidation levels between 50 and 950 mol m^-2 yr^-1 were observed. The positive correlation between soil methane oxidation capacity and tree presence is an interesting perspective on reduction of methane emissions by landfill's top cover vegetation type. Optimising methane oxidation using vegetation as a ‘cover crop’ could reduce the amount of methane discharged into the atmosphere.     

稻田水分管理和秸秆还田对甲烷排放的微生物影响

为了探讨不同水分管理和秸秆还田对稻田甲烷排放的影响机理,依托中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境监测研究站长期定位试验,选择长期淹水(CF)、秸秆还田+长期淹水(HS+CF)、常规灌溉(IF)、秸秆还田+常规灌溉(HS+IF)4个处理,应用限制性片段长度多态技术(T-RFLP)和实时荧光定量PCR技术在DNA和c DNA水平对比研究不同水分管理和秸秆还田影响稻田土壤甲烷排放的微生物分子机理。结果表明:长期淹水处理的甲烷排放量显著高于常规灌溉处理,秸秆还田处理对甲烷排放的影响不显著。产甲烷菌和甲烷氧化菌群落结构只对土壤水分管理产生响应,对秸秆还田没有响应。水分管理和秸秆还田显著影响产甲烷菌的数量,却对甲烷氧化菌数量没有影响。产甲烷菌和甲烷氧化菌群落组成和表达群落组成存在明显的分异,c DNA水平上产甲烷菌和甲烷氧化菌表达群落组成对水分管理的响应比DNA水平群落组成更敏感。稻田甲烷排放通量与mcr A和pmo A基因丰度和表达丰度均没有显著相关性,只与DNA水平基因丰度比值(mcr A/pmo A)呈显著正相关关系。可以看出,长期淹水处理可以通过改变土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落结构和数量及两者数量的比例来调控甲烷的排放量。     

Relevance of soil physical properties for the microbial oxidation of methane in landfill covers

The microbial oxidation of methane in landfill cover soils offers great potential to reduce methane emissions from landfills. High methane degradation rates can only be accomplished if the supply of atmospheric oxygen to the methanotrophic community is adequate. Thus, if environmental variables such as pH or nutrient status are not limiting, system performance is suggested to be governed by the share of pores available for gas transport. Diffusion tests as well as column studies were conducted to investigate the effect of air-filled porosity and degree of compaction on diffusivity and methane oxidation efficiency. Results show that the effective diffusion coefficient governing oxygen migration through soil is exponentially related to air-filled porosity space and can be significantly decreased by compaction. Discontinuity and tortuosity of the pore system strongly impeded diffusive migration at air-filled porosities below 10%. In the column study, soil gas composition and methane oxidation rates correlated with both the degree of compaction and the magnitude of advective bottom flux. Low aeration and hence low methane oxidation rates prevailed at high compaction rates and/or high bottom fluxes whereas high rates could be maintained at lower fluxes and/or low compaction rates. At a low degree of compaction (75% of the Proctor density), fluxes of 3.5 g CH₄ m⁻² h⁻¹ could be fully oxidized at all times by a sandy loam, the capacity limit of which was not reached during the experiment. Our studies suggest that soils intended for use as methane-oxidizing biocovers are to maintain an air-filled porosity of at least 14 vol.%. At low and medium degree of compaction, this is provided by sands, loamy sands, sandy loams and some of the coarsely textured loams.     

长期定位试验对水稻田土壤甲烷氧化活性和甲烷排放通量的影响

通过对长期定位施肥的黄松稻田土的甲烷氧化活性和甲烷排放通量的研究表明,长期定位施肥对稻田土壤的好氧甲烷氧化活性和甲烷排放通量有显著性的影响(|t|t0.05,P0.05),而对稻田土壤的厌氧甲烷氧化活性有影响但未达显著性水平(|t|t0.05,P0.05)。施加有机肥能显著增加稻田土壤的甲烷氧化活性和甲烷排放通量;当有机肥和无机肥混合施用时,其促进作用明显大于单施有机肥或无机肥。施加尿素后,稻田土壤的甲烷氧化活性及甲烷排放量都有所下降,但钾肥和磷肥能缓解由尿素引起的抑制作用。施肥后耕作的稻田甲烷氧化活性和甲烷排放通量高于施肥后不耕作的稻田;耕作而不施肥的稻田甲烷氧化活性和甲烷排放通量要低于不施肥也不耕作的稻田。     

生物质炭对酸性菜地土壤N2O排放及相关功能基因丰度的影响

【目的】 生物质炭显著影响土壤氧化亚氮 (N₂O) 排放,但关于其相关微生物机理的研究相对匮乏,尤其是生物质炭对酸性菜地土壤N₂O排放的微生物作用机理。本文通过研究氮肥配施生物质炭对酸性菜地土壤N₂O排放以及硝化和反硝化过程相关功能基因丰度的影响,探讨酸性菜地土壤N₂O排放与功能基因丰度的关系,阐释生物质炭对酸性菜地土壤试验N₂O排放的微生物作用机理。 【方法】 在田间一次性施入生物质炭 40 t/hm2,试验连续进行了3年,共9茬蔬菜。设置4个处理:对照 (CK)、氮肥 (N)、生物质炭 (Bc) 和氮肥 + 生物质炭 (N + Bc)。在施用后第三年,采集土壤样品进行室内培养,应用荧光定量PCR技术检测硝化过程氨氧化古菌 (AOA)、氨氧化细菌 (AOB) 功能基因amoA和反硝化过程亚硝酸还原酶基因 (nirK、nirS) 以及N₂O还原酶基因 (nosZ) 等相关功能基因丰度,同时监测土壤pH值、无机氮 (铵态氮、硝态氮) 含量及N₂O排放。 【结果】 与CK相比,生物质炭 (Bc) 处理的土壤有机碳 (SOC) 提高了27.1%,总氮 (TN) 提高了8.2%,amoA-AOB基因丰度显著降低了11.0%,nosZ基因丰度增加了21.2% (P < 0.05),N ₂O排放没有显著变化 (P > 0.05)。与CK相比,施用氮肥 (N) 显著降低土壤pH ( P < 0.05),显著增加土壤无机氮含量、 nirK、nirS和nosZ功能基因丰度以及土壤N₂O累积排放量 (P < 0.05)。与N处理相比,生物质炭与氮肥联合施用 (N + Bc) 处理显著增加 amoA-AOA、amoA-AOB、nirK、nirS和nosZ基因丰度,增幅分别为68.1%、39.3%、21.1%、19.8%、48.4% (P < 0.05),但 ( nirK + nirS)/nosZ的比值降低,同时N₂O累积排放量显著降低33.3% (P < 0.05)。室内培养期间N ₂O排放峰出现在1～5 d,N和N+Bc处理排放速率分别为 N 1.70 × 103和1.76 × 103 ng/(kg·h)。相关分析结果显示,N₂O排放速率与氧化亚氮还原酶的标记基因nosZ基因拷贝数 (P < 0.05)、NH ₄+-N含量 (P < 0.01) 呈显著正相关,与pH呈显著负相关 ( P < 0.01)。 【结论】 在菜地生态系统中氮肥和生物质炭联合施用可以有效缓解菜地土壤酸化,减少菜地土壤N₂O排放,主要归因于反硝化作用nosZ基因丰度增加,(nirK + nirS)/nosZ比值降低。