携带nosZⅡ基因的非反硝化菌缓解土壤N_(2)O排放的研究进展

氧化亚氮是主要的温室气体之一,农田土壤是重要的人为N_(2)O排放源,探索合理的农田N_(2)O减排措施是亟待解决的重大课题。反硝化过程中N_(2)O还原为N_(2)是目前已知的唯一的生物途径的N_(2)O汇,利用能够还原N_(2)O的微生物菌群是减缓农田土壤N_(2)O排放的潜在途径,对催化N_(2)O还原功能基因nosZ的研究表明N_(2)O还原菌存在两种基因型。本文主要综述了两种类型的N_(2)O还原菌具有不同的系统发育特征、生理学特性,以及N_(2)O还原的酶促动力学,相比较而言,具有nosZⅡ型的N_(2)O还原菌表现出更强的环境适应性,因此是有竞争力的土壤N_(2)O汇的潜在菌群。

一种新型N_(2)O还原菌的多样性和生态功能

N_(2)O的排放量呈现逐年增加的趋势,有关N_(2)O生物地球化学循环过程的研究受到越来越多的关注。文章综述了NosZ-Ⅱ型N_(2)O还原菌的基因组学、生理学和生态学的进展,探讨了其对减少N_(2)O排放的重要性。综合近年来这一领域的研究表明,这种新型N_(2)O还原菌属于非反硝化菌的进化群体,在进化上与NosZ-Ⅰ型N_(2)O还原菌具有显著的差异;NosZ-Ⅱ型N_(2)O还原菌广泛分布于多种不同的生态环境中,具有较高的多样性;与传统反硝化菌相比,其N_(2)O还原酶具有显著不同的特征和更强的N_(2)O还原潜力,表明其对减少N_(2)O的释放发挥了重要生态功能。

地下滴灌对番茄根际微区氮循环微生物量及土壤N_(2)O排放的调控机制

为探明地下滴灌对番茄根际微区氮循环微生物及土壤N_(2)O排放的影响,采用静态暗箱原位采集法,研究了不同滴灌管埋深(0、10、20、30 cm,依次记为CK、S10、S20、S30处理)对番茄根区土壤水分、养分、根系形态、微生物及N_(2)O排放的影响.结果表明:S10处理可提高10~20 cm土壤含水率,其土壤NO_(3)^(-)-N含量、DOC(溶解性有机碳)含量、根系分叉数、开花坐果期反硝化菌数量、果实成熟期亚硝化菌和反硝化菌数量分别为CK处理的2.02、1.49、1.85、3.81、2.11和3.75倍(P<0.05),且0~20 cm土壤孔隙度较CK处理增加了10.72%(P<0.05),N_(2)O排放量为CK处理的1.99倍(P<0.05).S20处理显著提高了20~30 cm土壤含水率,其土壤NO_(3)^(-)-N含量、DOC含量、根系分叉数、开花坐果期反硝化菌数量、果实成熟期亚硝化菌和反硝化菌数量分别为CK处理的2.66、1.38、2.77、6.0、5.56和12.50倍(P<0.05),且0~20 cm土壤孔隙度较CK处理增加了22.32%(P<0.05),N_(2)O排放量为CK处理的2.24倍.S30处理形成0~20 cm土壤“干层”和20~40 cm土壤“湿层”,土壤NO_(3)^(-)-N含量、根系分叉数、开花坐果期亚硝化细菌和反硝化细菌数量分别为CK处理的1.66、2.22、2.00和1.80倍(P<0.05),但DOC含量、0~20 cm土壤孔隙度、反硝化细菌数量等显著低于S20处理(P<0.05),N_(2)O排放量与CK处理无显著差异(P<0.05).地下滴灌方式下土壤N_(2)O排放主要为反硝化作用,不同滴灌管埋深形成的土壤水分分布会影响根系分叉数和0~20 cm土壤孔隙度,调节NO_(3)^(-)-N和DOC含量、亚硝化细菌和反硝化细菌生物量,影响“根系-土壤-微生物”的交互作用和N_(2)O排放量.S10、S20处理下根区环境利于增强“根系-土壤-微生物”的交互作用、促进反硝化作用和N_(2)O排放,S30处理相对会减弱“根系-土壤-微生物”的交互作用、抑制N_(2)O排放.研究显示,地下滴灌管埋深(土壤供水位置)通过调节根际微区土壤环境,改变氮循环微生物组成,进而影响“根系-土壤-微生物”的交互作用效应和土壤N_(2)O排放量.

还田秸秆种类对稻田N_(2)O排放及nosZ型反硝化细菌群落结构的影响

为探究还田秸秆种类对稻田土壤N_(2)O排放和nosZ型反硝化细菌群落结构的影响,通过盆栽试验,采用静态暗箱-气相色谱法和Illumina Miseq高通量测序法,观测了单施化肥(NS)、油菜秸秆还田配施化肥(RS)和蚕豆秸秆还田配施化肥(BS)处理下稻田土壤N_(2)O排放特征及土壤nosZ型反硝化细菌群落结构的组成。结果表明,NS、RS和BS处理的稻田土壤N_(2)O累积排放量分别为4.28、5.07、1.51 kg/hm2,且BS处理显著低于NS和RS处理(P<0.05),但NS和RS处理差异不显著。Veen分析结果显示,相比NS和RS处理,BS处理增加了土壤nosZ型反硝化细菌在目、属、种水平的组成类群。NS、RS和BS处理的根瘤菌目(Rhizobiales)的相对丰度分别是4.30%、3.33%和7.59%,norank_p__environmental_samples目的相对丰度分别是0.57%、0.22%和1.89%,且BS处理的根瘤菌目和norank_p__environmental_samples目的相对丰度均显著高于RS处理(P<0.05)。NS、RS和BS处理的norank_p__environmental_samples科的相对丰度分别是0.22%、0.11%和1.67%,且BS处理显著高于RS处理(P<0.05)。相关性分析结果显示,N_(2)O累积排放量与根瘤菌目和norank_p__environmental_samples目的相对丰度呈极显著负相关(P<0.01),与norank_p__environmental_samples科的相对丰度呈显著负相关(P<0.05)。综上所述,相比单施化肥和油菜秸秆还田,蚕豆秸秆还田在目、属、种水平上增加了nosZ型反硝化细菌的种类,同时增加了根瘤菌目和norank_p__environmental_samples目以及norank_p__environmental_samples科的相对丰度,降低了N_(2)O排放。

四株植物根际促生菌对农田土壤N_(2)O排放的影响

农田土壤是温室气体氧化亚氮(N_(2)O)最重要的人为排放源之一.本文以四株植物根际促生菌:白色芽孢杆菌Bacillus albus Lv5A、枯草芽孢杆菌枯草亚种Bacillus subtilis sp.subtilis NRCB002、施氏假单胞菌Pseudomonas stutzeri NRCB010和暹罗芽孢杆菌Bacillus siamensis NRCB026为研究对象,采用温室盆栽试验、土壤微宇宙试验及田间原位试验等方法,探究接种植物根际促生菌对农田土壤N_(2)O排放的影响.结果表明,在温室盆栽条件下,接种四株植物根际促生菌的土壤N_(2)O累积排放量从高到低依次为NRCB002>Lv5A>NRCB026>NRCB010,与未接种的对照相比分别减少了2.3%、33.1%、34.2%和40.0%.选择NRCB010和NRCB026菌株进一步开展土壤微宇宙试验和田间原位试验.与未接种的对照相比,在土壤微宇宙条件下接种NRCB010和NRCB026的土壤N_(2)O累积排放量分别减少了21%和48%;在田间原位条件下,接种NRCB010和NRCB026的土壤N_(2)O累积排放量分别减少了44%和73%.总之,接种植物根际促生菌NRCB010和NRCB026能有效减少农田土壤N_(2)O的排放.研究结果将为减少农田土壤N_(2)O排放提供重要科学依据,也将为发展具有促生和减排效应的生物肥料提供实际指导.

丛枝菌根真菌对玉米生育期土壤N_(2)O排放的影响

【目的】明确丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)影响玉米生育期土壤氧化亚氮(N_(2)O)排放的机制,为增加玉米产量、提高氮素利用效率、减少温室气体排放提供理论依据。【方法】采用分室(生长室和菌丝室)箱体装置,盆栽设置氮肥用量(N1:180 kg N·hm^(-2);N2:360 kg N·hm^(-2))和丛枝菌根真菌(M0:作物根和AMF均不能从生长室进入菌丝室;M1:只有丛枝菌根真菌能从生长室进入菌丝室;M2:作物根和丛枝菌根真菌均能从生长室进入菌丝室)双因素试验,测定玉米生长期间植株生物量、植株氮素积累量、N_(2)O排放量;采用Illumina平台Hiseq 2500 PE250高通量测序技术分析土壤细菌群落结构和多样性对丛枝菌根真菌的响应。【结果】氮肥用量和丛枝菌根真菌均显著影响玉米产量、植株生物量、植株氮素积累量和N_(2)O排放量。不同氮肥用量条件下接种丛枝菌根真菌均显著增加玉米籽粒产量、植株生物量和氮素积累量。与M0相比,N1条件下M1和M2处理产量均值分别增加38%和82%,地上部氮素积累量增加30%和52%,无机氮含量减少26%和65%;N2条件下M1和M2处理籽粒产量分别增加16%和48%;地上部氮素积累量增加9%和33%,无机氮含量减少34%和55%。与M0相比,N1条件下M1和M2处理N_(2)O累积排放量分别降低17%和40%,N_(2)O排放强度分别降低41%和67%;而N2条件下N_(2)O累积排放量降低26%和45%,排放强度分别降低28%和57%。NMDS分析表明,施肥和丛枝菌根真菌均对细菌群落结构有较大影响。与N1均值相比,N2处理门水平变形菌门(Proteobacteria)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)相对丰度分别降低6%和15%,而放线菌门(Actinobacteria)增加32%;属水平链霉菌(Streptomyces)增加27%,芽单胞菌属(Gemmatimonas)降低8%。与M0相比,N1条件下M1和M2处理的Streptomyces分别增加64%和205%,Gemmatimonas细菌丰度分别增加31%和53%;N2条件下M1和M2处理的Streptomyces分别增加10%和93%,M1处理的Gemmatimonas细菌丰度降低2%,M2处理Gemmatimonas细菌丰度增加56%。土壤中Streptomyces和Gemmatimonas与N_(2)O排放量呈显著负相关,而与玉米产量呈显著正相关。【结论】不同氮肥水平玉米接种丛枝菌根真菌均能显著降低土壤N_(2)O排放量,这种影响主要通过提高玉米氮素的吸收利用和改善土壤细菌群落组成实现的,其中主要增加了土壤链霉菌属和芽单胞菌属的相对丰度。

排水管道中CH_(4)、H_(2)S与N_(2)O的产生机制及其控制策略

排水管道厌氧环境会产生甲烷(CH_(4))与硫化氢(H_(2)S),而好氧及缺氧环境又会诱发氧化亚氮(N_(2)O)。污水中所含有机物(COD)、氮(N)和硫酸盐(SO_(4)^(2-))是产生这些气体的主要根源。系统综述了3种有害气体的产生机理,厘清污水中污染物、管道中微生物及管道环境对有害气体产生的影响。基于此,有针对性地提出了这几类气态污染物的控制策略。其中,对CH_(4)与H_(2)S的抑制手段集中在向管道中投加药剂以限制其产生源头,然而投加NO_(3)^(-)或NO_(2)^(-)药剂与通入氧气这两种控制手段可能会导致N_(2)O这种温室气体的大量产生。因此,应充分了解排水管道中各复杂因素之间的相互作用,以实现对有害污染气体的控制,并实现碳减排的目标。

微生物介导的农业土壤氧化亚氮减排研究进展

氧化亚氮(N_(2)O)是一种在大气存留时间长且破坏臭氧层的重要温室气体。农业土壤源N_(2)O是其重要来源,具有产生路径广、影响因素多、调控复杂等特点。减少农业土壤N_(2)O排放一直是研究的热点。含有N_(2)O还原酶的N_(2)O还原细菌能将N_(2)O还原为氮气(N_(2)),这是目前已知的微生物还原N_(2)O唯一的汇。直接应用微生物减少农业土壤N_(2)O排放是一种新兴的减排技术。本文详细阐述了农业土壤N_(2)O的生物源与汇,重点论述了N_(2)O减排微生物的筛选及应用策略。综述了微生物介导的农业土壤N_(2)O减排的两种微生物生态学机制:一种是利用含有nosZ基因的N_(2)O还原细菌直接减少N_(2)O排放,另一种是利用能改变N_(2)O还原细菌群落组成和丰度及其活性的植物根际促生菌间接减少N_(2)O排放。最后,讨论了影响微生物介导的农业土壤N_(2)O减排的环境因素及可能存在的问题,并对该技术在减少农业土壤N_(2)O排放中的应用进行展望。本文可为我国实现农业碳中和的战略目标提供重要技术参考。

不同水分管理条件下添加生物炭对琼北地区水稻土N_(2)O排放的影响

干湿交替会影响土壤硝化和反硝化等N_(2)O主要的产生过程,频繁的干湿交替在以海南为代表的热带水稻种植地区十分常见.生物炭作为一种土壤改良剂在改良土壤理化性质,减少土壤温室气体排放方面应用广泛,然而当前关于生物炭在琼北地区水稻土频繁干湿交替过程中减排效果研究并未深入.本试验以海南琼北地区典型水稻土为供试土壤,以400℃厌氧条件下炭化的玉米秸秆生物炭为供试生物炭,探究不同水分管理条件下添加生物炭对土壤温室气体排放及微生物相关功能基因的影响.试验设置干湿交替条件下不添加生物炭(AWD1),干湿交替并添加2%生物炭(AWD2),干湿交替并添加4%生物炭(AWD3),持续淹水不添加生物炭(CF1),持续淹水并添加2%生物炭(CF2),持续淹水并添加4%生物炭(CF3)共6个处理,进行为期30 d的25℃恒温避光培养.结果表明:(1)不同水分条件下添加玉米秸秆生物炭均可减少酸性水稻土中N_(2)O的排放(P<0.05,下同),AWD3处理N_(2)O排放总量为0.43 mg·kg^(-1),相比AWD1处理减少了68%;(2)玉米秸秆生物炭在不同水分管理条件下均可以显著提高土壤pH,添加生物炭处理相对于不添加生物炭处理在培养结束后土壤pH平均提高了0.5个单位,同时提高土壤NH_(4)^(+)-N含量,但会导致Eh的降低;(3)玉米秸秆生物炭的添加显著降低了氨氧化细菌(AOB)丰度,显著提高了nosZ基因丰度,降低了(nirK+nirS)/nosZ的比值,抑制了硝化过程,同时促进了反硝化过程N_(2)O的还原,从而降低了N_(2)O排放.结果表明,干湿交替过程添加生物炭有利于减少水稻田土N_(2)O排放,在琼北地区农业温室气体减排方面有较大的应用前景.

氮肥减量配施铁粉对稻麦轮作农田活性氮损失的影响

稻麦轮作农田是氨挥发、氧化亚氮(N_(2)O)排放和硝酸盐淋溶的重要来源。虽然减少氮肥用量能降低氮环境负效应,但会带来作物减产的风险。施用铁粉可刺激水稻田土壤铁还原细菌生长,增强其固氮活性。研究设置传统施氮量100%N、传统施氮量80%N、传统施氮量80%N+Fe、传统施氮量60%N、传统施氮量60%N+Fe、不施氮0%N、不施氮0%N+Fe共7个处理,通过田间原位试验研究氮肥减施和配施铁粉对作物产量、氨挥发、N_(2)O排放和硝酸盐淋溶的影响。结果表明,2021年麦季80%N+Fe处理的小麦产量较80%N处理提高了9.70%,水稻产量与传统施氮量处理相当,减氮20%配施铁粉具有稳产、增产的效果。水稻田氨挥发随着氮肥用量减少而明显降低(P<0.05);80%N+Fe处理与传统施氮量相比则进一步降低了累积氨挥发量与氨挥发强度(P<0.05),降幅分别为50.99%和47.41%。2021年麦季80%N+Fe处理的N_(2)O排放量较80%N处理显著降低78.16%(P<0.05),稻季与传统施氮量相比降低18.27%。同时,80%N+Fe处理也降低了土壤深层渗滤液硝态氮淋溶。因此,在传统氮肥用量基础上减氮20%配施Fe能起到作物稳产的效果,这可能是因为施加Fe增强了水稻田铁还原细菌固氮活性。农田氨挥发、N_(2)O排放和硝态氮淋溶减少主要是氮肥减施所致,相应的土壤微生物机理值得进一步探索。

菜地氨氧化微生物驱动的N_(2)O和NO对有机无机肥配施的响应

氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)是驱动土壤氨氧化过程的"引擎".氨氧化过程在土壤氧化亚氮(N_(2)O)和一氧化氮(NO)排放过程中扮演着重要角色.有机无机肥配施是实现化肥零增长和作物稳产增产的重要途径,但在有机无机肥配施下,菜地土壤AOB和AOA对氨氧化过程的相对贡献仍不清楚.本研究采用选择性抑制的方法(辛炔和乙炔)区分有机肥添加近3年后(2016年10月—2019年5月)AOB和AOA在氨氧化过程中对碱性菜地土壤N_(2)O和NO产生的相对贡献.试验共设5种施肥处理:不施氮肥(CK)、单施尿素(N)、单施有机肥(M)、50%尿素+50%有机肥(M1N1)和80%尿素+20%有机肥(M1N4).结果表明,有机无机肥配施(M1N1和M1N4)可显著增加土壤电导率、有机碳和全氮含量.培养试验发现,与N处理相比,M和M1N1处理分别使N_(2)O排放量增加100.7%和38.8%,NO排放量增加77.9%和42.8%,AOB基因丰度增加16.6%和10.2%,同时,AOB对N_(2)O排放的相对贡献增加6.5%.相反,M1N4处理分别使N_(2)O和NO排放量降低19.3%和4.8%,AOB基因丰度降低37.5%,同时,AOB对N_(2)O及NO排放的相对贡献分别降低7.8%和7.4%.相关分析表明,土壤N_(2)O和NO累积排放量与土壤AOB基因丰度呈显著正相关(p<0.05),与土壤AOA基因丰度无显著相关性.有机无机肥配施下AOB是氨氧化过程的主要驱动者,适当比例的有机无机肥配施(即M1N4)措施可在一定程度上减弱AOB对碱性菜地土壤N_(2)O及NO排放的相对贡献.