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。

接种氧化亚氮(N_(2)O)还原细菌YSQ030对复垦土壤N_(2)O排放和氮循环关键功能基因的影响

复垦土地是重要的后备土地资源,但通常土壤结构差、有机质和养分含量低;增施有机肥是快速提升地力的关键途径,但会造成温室气体如氧化亚氮(N_(2)O)的大量排放.接种具有N_(2)O还原功能的植物根际促生菌(PGPR)不仅能够减少温室气体排放,还能促进作物生长.本研究以一株具有N_(2)O还原功能的PGPR反硝化无色杆菌(Achromobacter denitrificans)YSQ030为供试菌株,明确接种YSQ030对施用有机肥的复垦土壤N_(2)O排放和氮循环关键功能基因的影响.通过设置施用有机无机复混肥和羊粪有机肥的土壤微宇宙试验,利用气相色谱仪分析接种YSQ030后土壤N_(2)O排放通量,进一步计算累积排放量;在试验结束后分析土壤pH、EC(电导率)、硝态氮和铵态氮含量,并利用实时荧光定量PRC分析土壤硝化功能基因(AOA amoA和AOB amoA)和反硝化功能基因(nirS、nirK、nosZⅠ和nosZⅡ)的丰度.结果显示,施用有机无机复混肥和羊粪有机肥的土壤中接种YSQ030明显减少复垦土壤N_(2)O排放,N_(2)O排放量最大减少分别达90.4%和30.6%.施用有机无机复混肥处理的N_(2)O排放量远高于施用羊粪有机肥处理,这可能是由于施用有机无机复混肥的土壤与施用羊粪有机肥的土壤相比,土壤中编码反硝化细菌N_(2)O还原酶基因nosZⅠ和非典型反硝化细菌N_(2)O还原酶基因nosZⅡ基因丰度较低.施用有机无机复混肥均显著降低土壤硝化和反硝化功能基因丰度,而施用羊粪有机肥对土壤硝化和反硝化功能基因丰度大多没有明显影响.本研究表明,接种YSQ030能够减少施用有机肥土壤的N_(2)O排放,将为复垦土壤地力提升和N_(2)O减排提供科学依据,也将为研发新型微生物肥料或生物有机肥提供核心菌种资源.

氧化亚氮还原细菌YSQ030的筛选、鉴定及其植物促生特性

筛选获得具有氧化亚氮(N_(2)O)还原活性及植物促生特性的细菌,为新型微生物肥料的研发与应用提供微生物资源。通过固氮培养基筛选以及含硝酸钠和琥珀酸钠的营养肉汤培养基纯化,从水塘芦苇根际土中分离得到一株细菌YSQ030;通过形态观察、16S rRNA基因序列和生理生化特征分析,对菌株进行鉴定;采用无氮反硝化培养基测定菌株的N_(2)O还原能力;通过纯培养试验测定菌株的促生特征并通过水培试验研究其对水稻的促生效应。结果显示,菌株YSQ030为反硝化无色杆菌(Achromobacter denitrificans),含nosZ基因;在30℃、转速为200r/min、氧气浓度为0%的前提下,还原N_(2)O的效率为66.3%;分泌吲哚乙酸、具有溶磷和产生1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶的能力;温室水培试验结果表明,与未接菌的对照组相比,接种YSQ030菌液显著提高了水稻幼苗的地上部鲜重和根鲜重,分别增加了48.3%和37.6%。本研究表明,YSQ030具有明显的N_(2)O还原能力,同时对水稻生长具有显著的促进作用,可为进一步构建具有N_(2)O还原能力的生物肥料提供良好的种质资源。

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。

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.