不同离子对水稻田土壤甲烷氧化活性影响的研究

研究了矿质元素不同的阴离子和阳离子与黄松泥田水稻土壤氧化甲烷活性之间的相关性。结果表明 ,不同的阴离子和阳离子对甲烷氧化活性的影响有显著性差异 ,不同浓度的同一种阴离子或阳离子对甲烷氧化活性的影响也有显著性差异。Na+较K+对土壤甲烷氧化活性具有更强的抑制作用。NH4+和NO2-可与甲烷氧化竞争土壤中的分子氧而有明显的抑制作用。Cr3+对微生物具毒性而影响土壤的甲烷氧化。阴离子PO43-和CO32-无明显影响。这种影响的差异性不仅与阴离子和阳离子本身的理化特征有关 ,而且与土壤对阳离子的吸附力及阴离子与土壤的相互作用强度有关。土壤理化特性同样影响阴离子和阳离子对甲烷氧化活性影响的强弱     

水稻田土壤硫酸盐还原活性的测定及其影响因子的研究

用显色比色测定法研究影响测定黄松稻田土壤硫酸盐还原活性的因素。结果表明水稻田土壤的含水量、培养温度和时间、硫酸盐的加入量和碳源物质对测定水稻田土壤硫酸盐还原活性有显著性影响。显色比色法测定水稻田土壤硫酸盐还原活性的最适条件为:土壤含水量(W/W％)在35％左右、培养时间为24h、培养温度为28℃、加入硫酸钠的最适量应在500μg/g干土左右。     

恶唑菌酮土壤降解影响因子研究

探讨了土壤环境中的主要因素:土壤微生物、温度、含水量、pH值以及施用有机肥对恶唑菌酮降解的影响。结果表明:土壤微生物对恶唑菌酮在土壤中的降解起着重要作用,相同条件下灭菌土壤的降解半衰期是非灭菌土壤的27.6倍。环境温度、土壤含水量等对恶唑菌酮降解也有影响,在15℃～40℃的试验条件下,随着温度升高,恶唑菌酮的降解速率加快,特别是15℃～25℃温度范围内降解速率上升较快;过高和过低的土壤含水量都不利于土壤中恶唑菌酮的降解,土壤含水量为50?～100?时适宜恶唑菌酮的降解;此外施用有机肥会加速恶唑菌酮的降解;而土壤pH值对降解的影响不显著。     

稻虾共作模式下土壤甲烷产生与氧化潜力及其对温度的响应特征

稻田是大气甲烷的重要人为排放源。为探讨不同稻田利用方式下甲烷产生和氧化潜力及其对温度的响应特征，以我国东南部地区常规稻田种植体系、由稻田转变来的稻虾种养结合体系和常规虾塘养殖体系为研究对象，分别采集位于江苏省句容市常规稻田（CR）、共作稻区（R-CR）和共作虾区（R-CC）以及常规虾塘（CC）土壤样品，在5℃、15℃、25℃和35℃条件下进行为期30 d的室内培养实验。结果表明：农业土地利用方式转变对甲烷产生和氧化潜力均有显著影响，甲烷产生潜力由大到小依次为：共作虾区、常规虾塘、共作稻区、常规稻田，分别为1.14、0.33、0.25和0.17 μg?g-1?d-1，甲烷氧化潜力从大到小依次为：常规稻田、常规虾塘、共作稻区、共作虾区，分别为1.38、1.01、1.00和0.71 μg?g-1?d-1。由于水分管理差异以及饲料、氮肥投入导致底物和环境因子差异造成了产甲烷菌、甲烷氧化菌的活性差异，使得不同土地利用类型土壤呈现不同的甲烷产生和氧化潜力特征；甲烷产生潜力随培养温度的升高呈指数增长，在5℃、15℃、25℃和35℃时的平均值分别为0.13、0.26、0.55和0.95 μg?g-1?d-1。而甲烷氧化潜力仅在低温时比较敏感，在15℃、25℃、35℃时与5℃下的甲烷氧化潜力存在显著差异，而三种培养温度之间无显著差异（甲烷氧化潜力在5℃、15℃、25℃和35℃时分别为0.71、1.14、1.14和1.11 μg?g-1?d-1）。总体上，甲烷产生潜力对温度的响应强于甲烷氧化潜力。此外，土壤甲烷产生和氧化潜力均受温度或土地利用类型单因素的显著影响（P<0.01），但两者的交互效应仅对土壤甲烷产生潜力存在显著影响，对甲烷氧化潜力并无显著影响。     

土壤多酚氧化酶性质研究及意义

土壤多酚氧化酶是一类以铜、锰为活性中心的氧化还原酶。本文以滨江带生态湿地土壤为材料,系统研究了土壤多酚氧化酶活性随着干湿状态、溶解氧、pH值、温度而变化的情况。结果表明,湿土壤比风干土壤和烘干土壤活性高;氧气充足时活性高于缺氧时活性;多酚氧化酶活性在强酸强碱条件下失活,pH值(9~11)或温度45℃时活性最高。通过对土壤多酚氧化酶性质研究,对一些现象进行了初步解释,如荷花出淤泥而不染成因;为加快土壤多酚氧化酶在环境修复中应用和开发它的广阔应用前景奠定基础。     

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。     

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。     

不同pH和氧气条件下土壤古菌与海洋古菌的竞争适应机制

pH和氧气是古菌氨氧化活性的关键限制因子。然而,复杂土壤中不同古菌生态型（土壤古菌和海洋古菌）对pH和氧气的竞争适应规律尚未有相关报道。选择活性氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea, AOA）为类海洋古菌Group1.1a-associated的酸性森林土（ pH5.40）和活性氨氧化古菌为土壤类古菌Group 1.1b的碱性水稻土（ pH8.02）,调节混合土壤pH和氧气浓度;设置稳定性同位素核酸探针实验,通过微宇宙室内培养,监测土壤硝化强度;利用实时荧光定量qPCR和454高通量测序研究pH和氧气对土壤氨氧化古菌和细菌的影响规律。结果表明：pH3.8下没有硝化作用发生,而pH6.0和7.6则发生了强烈硝化作用,且高氧环境下硝化作用强于低氧环境;加底物培养后,氨氧化古菌数量明显增加;活性氨氧化古菌几乎全为土壤类古菌Group 1.1b。研究表明：尽管氧气对硝化作用也有一定影响,但pH是影响硝化作用的主要因素;与类海洋古菌相比,土壤类古菌Group?1.1b更能适应高氧和低氧的碱性土壤环境,因此具有更强的竞争力。     

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。     

碳源和氧对设施菜田土壤N_2O排放的影响

利用在线自动监测培养系统(Robot系统),研究不同氧分压、碳源投入以及不同氧分压和碳源投入组合下,添加硝化抑制剂双氰胺(DCD)对设施菜田土壤N_2O排放的影响。结果表明:随着土壤氧分压的升高,N_2O排放量呈指数下降(P0.001),土壤氧分压大于等于3%O_2后,N_2O排放量不足于无氧和微量氧(1%氧)处理的30%。添加碳源降低了有氧条件下土壤N_2O和N_2产生量,显著增加了微量氧下异养反硝化途径对N_2O的贡献量(P0.01)。在微量氧和3%O_2下,与未添加DCD的处理相比,无碳源添加且施用DCD后,N_2O的排放分别降低了64.4%和88.8%,同时N_2排放分别降低了23.4%和18.6%。从微量氧至3%O_2,虽然无碳源添加的处理硝化细菌反硝化作用对N_2O排放的贡献从17.2%增加至42.6%,但由于排放总量的急剧下降,硝化细菌反硝化作用对设施菜田土壤N_2O排放的贡献较小。本研究所用土壤pH较高,且添加DCD的处理培养前后硝酸盐基本平衡,异养的同步硝化-反硝化过程可能很弱。总之,设施菜田土壤N_2O排放主要发生在无氧和微量氧条件下。异养反硝化菌对土壤N_2O排放的直接贡献最大,尤其是在碳源较为充足的条件下。     

Suppression of Methane Production via the Promotion of Fe2+ Oxidation in Paddy Fields

ABSTRACT

Methane is a greenhouse gas, mainly generated from paddy fields and lakes by methanogens using hydrogen and acetic acid as substrates. In anaerobic environments with adequate Fe³⁺, iron-reducing microorganisms utilize these substrates, thus suppressing methane generation. We promoted Fe²⁺ oxidation to Fe³⁺ by physically stirring paddy soil and using a chelating agent (nitrilotriacetic acid; NTA) to evaluate the feasibility of the suppression of methane generation using Fe³⁺-reducing bacteria. Under anaerobic conditions, Fe³⁺ reduction to Fe²⁺ began immediately in the slurry made by adding water into air-dried paddy soil. Methane generation began on the 6th day when most Fe³⁺ was reduced. Under anaerobic conditions for 10 days followed by aerobic conditions, Fe²⁺ oxidation hardly progressed under static conditions. On stirring the slurry, Fe²⁺ oxidation progressed over 12 h (67% Fe²⁺ oxidized to Fe³⁺). When NTA was added under anaerobic conditions followed by stirring under aerobic conditions, Fe²⁺ oxidation was promoted further. The idea of physical stirring of paddy soil in the actual environment was derived from the effects of paddy soil stirring by ducks in interrelated rice–duck farming. In such farming, paddy soil contains more Fe³⁺ in its surface water compared with normal farming, resulting in suppressed methane generation.     

填埋场生物炭-甲烷氧化菌改性覆层的甲烷氧化特性

填埋场覆盖层是一种控制甲烷逃逸的最简单可行办法,然而一般的土质覆盖层工程特性差,与微生物甲烷氧化菌的甲烷氧化效能低。生物炭施加到土体中能够改变土体的微环境和微生物活性,进而可影响生物氧化甲烷的效能。为了研究生物炭-甲烷氧化菌改性土的甲烷氧化效率,使用甲烷检测仪,测定不同pH、甲烷浓度、土样干密度和生物炭掺量下,有菌和无菌土样的甲烷降低率的变化规律。结果表明：当无机盐培养液的pH值为7时,甲烷氧化菌具有较高的氧化效能;pH值为9时,甲烷氧化菌的甲烷降低小于pH值为7时。在一定初始甲烷浓度下,甲烷氧化菌的氧化效能随着初始甲烷浓度的增大而增大,但当初始甲烷浓度超过一定值时会抑制甲烷氧化菌的氧化效能,生物炭掺量和干密度均会影响甲烷氧化菌甲烷削减效能。随着生物炭掺量的增加,生物炭-甲烷氧化菌改性土的甲烷氧化效率是逐渐增大的;在干密度和生物炭掺量为1.20 g/cm³和15%时,无菌和有菌两种工况的甲烷降低率降幅较明显,分别为10.38%和39.72%。由此表明添加生物炭改变了填埋场覆盖层土体的微环境,提高了甲烷氧化菌的甲烷氧化效能,该研究对填埋场温室气体减排、大气污染防治及土体固碳减排具有重要学术意义和实际价值。     

水淹条件下水稻土中砷的生物化学行为研究进展

水稻土中砷的氧化还原和甲基化等生物化学过程是影响水稻砷毒性的主要作用机制;同时,水淹厌氧条件是驱动水稻土中砷的生物化学过程关键环节,且是导致水稻对砷大量吸收累积的主要原因,对以水稻为主食的人们造成健康威胁。本文综述了水稻土中砷的氧化还原和甲基化现象、砷的生物化学作用机制以及影响水稻土砷迁移转化的关键因素,并探讨了水淹厌氧条件对水稻土砷代谢微生物群落、微生物基因表达水平以及对砷归趋的影响。最后,展望了未来的研究方向,以期识别不同水管理模式下土壤微环境对水稻土中砷代谢微生物群落结构与基因表达水平的影响机制,为深入理解砷的生物化学行为和降低水稻对砷的吸收累积提供科学的理论参考。     

镉污染下不同类型水稻土氮素供应特征及其影响因素

污染条件下的土壤氮素供应影响了作物生产和植物生态修复。采用温室盆栽试验,研究了两种剂量镉污染下我国21种水稻土无机氮的供应特征和影响因素。结果表明：淹水10天后,不同水稻土土壤溶液无机态氮含量变幅为1.42 ~ 70.40 mg/L （(平均值为16.76 mg/L）),其中NH4+-N和NO3--N分别占62.5% 和33.7%;与施肥对照相比,镉污染降低了大多数水稻土土壤溶液无机态氮的含量,平均降幅为58.4%,主要是由土壤溶液NH4+-N含量下降所致;土壤溶液NO3--N含量受镉污染的影响程度则因土壤类型而异。基于典范对应分析的偏因子分析（(VPA）)表明镉污染对水稻土土壤溶液无机氮含量的影响最大,其次是土壤类型,施肥影响最小,三类因子单独作用的影响比例分别为40.38%、6.51% 和0.05%。镉污染下,pH、CEC和土壤质地显著影响水稻土无机氮供应,其中土壤pH是镉污染条件下影响NH4+-N含量变化的首要因子。     

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。     

旱作褐土中氧化铁的厌氧还原与光合型亚铁氧化特征

土壤中铁的氧还过程与碳氮转化及自净能力关系密切,已还原亚铁的氧化受土壤性质的影响。采用室内恒温培养试验研究了旱作褐土中铁还原氧化过程、及其与水溶性碳、NO3-、SO42-的关系。结果表明旱作褐土中铁氧化物在厌氧光照条件下可先被还原后被再次氧化,其再氧化量介于1.46~3.00 mg g-1之间,平均2.09 mg g-1;再氧化速率常数介于0.23~0.80 d-1之间,平均0.48 d-1。再氧化量与土壤无定形铁、水溶性硫酸盐含量、阳离子交换量显著负相关,与土壤总氮、总磷显著正相关;再氧化速率常数与土壤有机碳显著负相关,与黏粒含量极显著正相关。厌氧光照培养可使旱作褐土水溶性无机碳平均降低52.74%,水溶性NO3-降低92.15%,水溶性SO42-增加55.38%。研究结果为深入理解旱作土壤潜在的微生物铁循环转化方式提供理论支持。     

Kinetics and electron transport of soil hydrogenases catalyzing the oxidation of atmospheric hydrogen

The soil hydrogenases of chernozem and eolian sand were different with respect to their kinetic properties. Increase of soil moisture above optimum moisture content or prior incubation of the soils under very high H₂-mixing ratios (i.e. 1%) resulted in a decrease of V_max or in an increase of the K_m of the H₂ oxidation reaction. Under anaerobic conditions, the K_m for H₂ was higher and V_max was lower than under aerobic conditions. The anaerobic H₂-oxidation activity of both soils was stimulated by the addition of artificial electron acceptors with redox potentials of at least 80 mV. Ferricyanide as the most efficient stimulator did not function as a final electron acceptor for anaerobic H₂-oxidation, but acted as a catalyst by bypassing a rate-limiting electron transport step. In eolian sand, the aerobic as well as the anaerobic activity for atmospheric H₂ oxidation decreased upon exposure to very high H₂-mixing ratios (i.e. 1%). A similar effect was observed after incubation with ferricyanide which enabled the inflow of excess electrons from soil reductants or added NADH into the electron transport system of the soil hydrogenase with anaerobic activity. The activity for atmospheric H₂ oxidation was regenerated during incubation in H₂-free atmospheres, especially in the presence of oxygen. Inhibition and regeneration were probably due to alterations in components of the soil hydrogenases caused by the extent of a maximal electron flow through the electron transport system of the soil hydrogenases. Two classes of hydrogenase activities were discerned in eolian sand: one predominantly active under aerobic and the other under anaerobic conditions.