生物炭配施硝化抑制剂降低稻田土壤NH_(3)和N_(2)O排放的微生物机制

【目的】研究生物炭和硝化抑制剂对稻田土壤主要活性氮气体(NH_(3)和N_(2)O)排放的影响及机制,以提升施用生物炭与硝化抑制剂的减排效果。【方法】采集浙江典型水稻土进行盆栽试验。试验设置5个处理:不施氮肥(N0)、仅施尿素(Urea)、尿素配施硝化抑制剂(DMPP)、尿素配施生物炭(BC)、尿素配施硝化抑制剂和生物炭(BCDM)。从水稻插秧后开始,利用密闭箱−气相色谱法和Drage-Tube法分别监测土壤N_(2)O及NH_(3)排放,在基肥、分蘖肥和穗肥后,取田面水和渗漏水样,测定无机氮浓度。在水稻收获后,采集鲜土提取土壤微生物DNA,利用qPCR技术分析测定氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)的amoA以及氧化亚氮还原酶nosZ的基因拷贝数。【结果】施基肥后,各处理没有显著提升田面水中的NH_(4)^(+)-N浓度;追施分蘖肥和穗肥后,BC和DMPP处理显著提升田面水NH_(4)^(+)-N浓度,最高达35.4 mg/L;BCDM及DMPP处理分别降低田面水NO_(3)^(−)-N浓度达80.0%及56.9%。与Urea处理相比,BC和DMPP单施或配施均显著降低田面水累计氮损失量,降幅最大为95.6%(BCDM)。Urea处理20和40 cm深度土层的累积渗漏氮损失量为N 3.67 kg/hm^(2),BC、BCDM及DMPP处理分别降低了累积渗漏氮损失量16.5%、27.9%及37.4%。与Urea处理相比,BC、DMPP和BCDM处理分别显著降低N_(2)O累积排放量约31.5%、64.0%和57.6%;施加DMPP使氨累积排放量显著增加了10.5%,而BC与DMPP配施或BC单独施用降低了氨累积排放,降幅分别为25.2%和21.6%。水稻生育期内,BC、BCDM、DMPP、N0和Urea处理由氨排放带来的N_(2)O间接排放对N_(2)O总排放的贡献率分别为83.9%、90.2%、90.5%、52.9%和82.0%。qPCR结果显示,与Urea处理相比,BC、DMPP和BCDM处理土壤AOA的amoA基因拷贝数较Urea处理增加48.0%~73.4%,AOB的基因拷贝数降低了62.7%~195.6%(P<0.05)。DMPP和BCDM处理nosZ基因拷贝数较Urea处理分别增加了3.7%和14.8%。【结论】生物炭和DMPP与尿素同时基施可显著降低土壤amoA-AOB基因拷贝数,减缓土壤铵离子的硝化过程,从而降低NO_(3)^(−)-N浓度,减少稻田田面水、渗漏水中的无机氮浓度;增加N_(2)O还原酶nosZ基因拷贝数,促进N_(2)O还原能力,降低N_(2)O(N_(2)O直接排放和NH_(3)带来的间接排放)总排放量32.2%,是同时有效减少N_(2)O排放和氨挥发的有效措施。

夏玉米根系密集区与行间N2O浓度及与氨氧化细菌和反硝化细菌数量的关系

采用硅胶管法和微生物分子生态学方法对华北平原典型旱地土壤夏玉米根系密集区与行间土壤产生的N2O及与氨氧化细菌和反硝化细菌数量的关系进行了研究。结果表明:夏玉米三叶期和十叶期的施肥灌水措施以及超过15 mm左右的降雨均显著促进了土壤N2O的产生。夏玉米行间产生的N2O略高于根系密集区,但二者未达显著差异水平。相关分析表明,影响土壤N2O产生的主要环境因子为土壤空隙含水量(WFPS)及土壤NO-3-N含量,二者决定系数分别为0.79和0.51。N2O浓度与氨氧化细菌amoA基因拷贝数及反硝化细菌nirS基因拷贝数之间的显著正相关关系(决定系数分别达0.55和0.62)表明土壤中N2O的产生与氨氧化细菌和nirS基因反硝化细菌数量的增加有关。表明在该试验条件下,夏玉米根系生长对根系密集区土壤中氮和水的消耗以及氨氧化细菌和反硝化细菌数量的变化并未引起根系密集区和玉米行间N2O浓度的显著差异,即在田间布设N2O观测箱时,采样箱是否覆盖作物根系或采样箱覆盖作物根系的多少对N2O排放量的测定结果没有显著性影响。