菜地N2O排放途徑及其功能微生物群落組成的關(guān)系.pdf

1、N2O是大氣中主要的三大溫室氣體之一，主要來源于生物源排放。我國蔬菜種植面積占農(nóng)作物總種植面積的比例不斷增加，菜地土壤的種植-收獲期短、施肥量高且水肥同期，其對國家N2O排放清單的貢獻(xiàn)越顯重要。本文采用田間取樣和室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，并采用高通量測序及微生物分子生態(tài)學(xué)分析等分析手段，研究菜地土壤施用銨態(tài)氮肥后個(gè)主要時(shí)期-銨態(tài)氮為主期、銨硝共存期、硝態(tài)氮為主期各N2O排放途徑（自養(yǎng)硝化作用、異養(yǎng)硝化作用、細(xì)菌的反硝化作用、生物反硝化作

2、用等）的N2O排放量及對N2O總排放量的貢獻(xiàn)，并分析相應(yīng)時(shí)期2類主要的硝化微生物—氨氧化細(xì)菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)、以及3類主要的反硝化微生物（nirS型反硝化微生物、nirK型反硝化微生物、nosZ型反硝化微生物）的數(shù)量、多樣性、組成結(jié)構(gòu)等方面的相應(yīng)變化，以揭示菜地施用銨態(tài)氮肥后N2O排放量及其途徑和及其可能的微生物機(jī)理，為針對性的控制菜地土壤N2O排放提供理論及數(shù)據(jù)支持。
　　本實(shí)驗(yàn)通過研究三種不同利用方式土地進(jìn)行田

3、間土壤取樣試驗(yàn)，包括玉米地（簡稱Maize）、4年齡露地菜地(簡稱OV_4)以及20年齡溫室菜地(GV_20)。而露地菜地選用的是只施用有機(jī)肥的處理。另外，本實(shí)驗(yàn)還利用京郊石灰性菜地土壤和山東蔬菜產(chǎn)區(qū)低pH的棕壤菜地土壤進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)通過不同氣體抑制劑相結(jié)合，探究試驗(yàn)土壤添加NH4+肥后約3周內(nèi)土壤N2O主要的排放途徑（自養(yǎng)硝化作用NN、硝化細(xì)菌的反硝化作用NiD、生物反硝化作用DD、異養(yǎng)硝化作用HN等）以及主要培養(yǎng)時(shí)期

4、土壤中與N2O排放過程相關(guān)的主要硝化微生物(AOB、AOA)和反硝化微生物（nirS型、nirK型、nosZ型）在數(shù)量、多樣性和區(qū)系組成結(jié)構(gòu)方面的變化，為定向控制菜地土壤N2O排放提高氮素利用效率提供科學(xué)依據(jù)。
　　本研究得到如下主要結(jié)論:
　　①不同利用方式的三種土地（玉米地、露地菜地、溫室菜地）中，土壤N2O年度累積排放量與其中的主要硝化和反硝化微生物數(shù)量、多樣性、區(qū)系組成特征如下:對于不同利用方式的土地，N2O的年度累

5、積量依次為:露地菜地＞溫室菜地＞典型玉米地，可能是由于不同利用方式土壤中氮素來源及形態(tài)以及土壤中溫度、水分及因基質(zhì)與土壤環(huán)境不同造成的微生物區(qū)系組成不同而致。②AOB的拷貝數(shù)和多樣性均以溫室菜地中為最高，這可能與溫室菜地中有機(jī)氮供應(yīng)為主有關(guān);但三種土地中的氨氧化細(xì)菌(AOB)均以Nitrosospira_sp._Wyke8（亞硝化螺菌屬）為優(yōu)勢種。③氨氧化古菌(AOA)拷貝數(shù)則為露地菜地中較高，其與典型玉米地中均以Nitrosospha

6、era_sp._JG1（奇古菌門）為優(yōu)勢種。這可能與露地菜地中化肥用量用量較高造成的局部微酸化環(huán)境有關(guān)（培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中的pH監(jiān)測可做部分佐證）。④三種反硝化微生物nirS、nirK和nosZ的拷貝數(shù)均在溫室菜地中顯示為最高，這可能與溫室菜地常年以有機(jī)肥供應(yīng)為主并且年代較長有關(guān);三種反硝化微生物在不同利用類型土地中的多樣性組成類似;但各類群在不同土地利用類型土地中的組成比例不同。在可被鑒定出的微生物類群中，nirS型反硝化微生物在露地菜地中以

7、Rhodanobacter_sp._D206a（紅桿菌屬）和Pseudomonas_sp._I-Bh4-8（假單胞菌菌屬）為優(yōu)勢種，溫室菜地中則Pseudomonas_fluorescens_group（假單胞菌屬）占優(yōu)勢。nirK型反硝化微生物在三種利用類型土地中均是Achromobactercycloclastes（無色桿菌屬）、Bosea_sp._MF18、Bradyrhizobiaceae_bacterium_D214為主，但各

8、自所占比例有不同。在nosZ型反硝化微生物中，則是Achromobactercycloclastes和Sinorhizobium_fredii_group占優(yōu)勢。
　　在施用銨態(tài)氮肥后，對石灰行菜地培養(yǎng)的短期內(nèi)（前6天），N2O主要來源于硝化細(xì)菌的反硝化作用和自養(yǎng)硝化作用，分別占到總N2O排放通量的55-61％和26-32％，并且，此過程中氨氧化微生物的數(shù)量及多樣性均呈現(xiàn)表現(xiàn)為較高，在AOB中Nitrosospira_sp.和Ni

9、trosospira_sp._EnI299的數(shù)量略有降低，他們有可能在自養(yǎng)硝化過程中起主要作用。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，來自自養(yǎng)硝化過程的N2O的比例逐漸減?。ㄕ伎偱欧帕康?3-26％）。自培養(yǎng)中期開始，由硝化細(xì)菌的反硝化作用途徑貢獻(xiàn)的N2O出現(xiàn)驟降（僅占N2O通量的9％），而反硝化作用的貢獻(xiàn)明顯增加（從初期的9％增加至后期的67％）。相應(yīng)的，反硝化細(xì)菌中nirK和nosZ型反硝化微生物的拷貝數(shù)增加，而nirS的多樣性增加。在不同培養(yǎng)時(shí)期中

10、可被鑒定出的微生物類群均為Achromobactercycioclastes、 Bradyrhizobiaceae_bacterium_D214、Bradyrhizobium_sp._GSM-471和Bradyrhizobium_sp._ORS_278共同占優(yōu)勢，且他們各自所占比例在不同時(shí)期變化不大。
　　在施用銨態(tài)氮肥后，酸性菜地土壤進(jìn)行培養(yǎng)的前期，反硝化作用是N2O的主要排放途徑（占N2O排放通量的50-51％），隨著培養(yǎng)的進(jìn)

11、行，反硝化作用所貢獻(xiàn)的N2O所占比例逐漸降低（中期34％，后期17％）。在此過程中反硝化微生物在數(shù)量(nirS、nosZ)和多樣性(nirK)方面都增加，在可被鑒定出的微生物類群中，nirK型微生物的優(yōu)勢種為Nitrosomonas_sp._TA-921i-NH4（亞硝化單胞菌屬）和Nitrosospira_tenuis（亞硝化螺菌屬），。酸性菜施用銨態(tài)氮肥后的培養(yǎng)中后期，硝化細(xì)菌的反硝化作用相對貢獻(xiàn)比例逐漸增大，從開始占N2O排放通量

12、的26％到中期增加到36％取代反硝化作用成為主要貢獻(xiàn)過程，其中AOB和AOA都有可能參與了此過程，可被鑒定出的優(yōu)勢種分別為的Nitrosospira_sp.、 Nitrosospira_sp._PJA1、 Nitrosospira_sp._Wyke2（屬于亞硝化螺菌屬）以及Nitrososphaera_unclassified。但由于棕壤菜地的土壤pH較低，可能Nitrososphaera_unclassified的活性會更高些，對N2

13、O的排放貢獻(xiàn)更大。包括異養(yǎng)硝化作用在內(nèi)的其它過程在施用銨態(tài)氮肥后18天期間對酸性土壤N2O排放貢獻(xiàn)占16.7％，遠(yuǎn)高于石灰性土壤上的貢獻(xiàn)(5.5％)，這可能與AOA/16S rRNA的數(shù)量在后期增加及AOA多樣性降低而某某些優(yōu)勢種的占比增加有關(guān)。
　　酸性菜地中AOB的優(yōu)勢種為Nitrosospirahe和Nitrosomonadacea，而石灰性菜地中AOB的優(yōu)勢種為Nitrosospira和Nitrosomonas，這可能與酸