控制灌溉和控释肥施用耦合措施对稻田CH4和N2O排放的影响及其微生物机制研究

The coupling technique of controlled irrigation and controlled-release fertilizer (CRF) application is expected to reduce CH4 and N2O emissions from rice paddies and to alleviate the high nitrogen application that may cause ecological environmental effect, but the microbial mechanisms of its effect on CH4 and N2O emissions remain poorly understood. Taking the typical rice planting areas in China, Jiangsu Province, Jiangxi Province and Sichuan province, as the research object, this project studies the combined effect of controlled irrigation and CRF application on CH4 and N2O emissions from paddy fields based on greenhouse and microcosmic incubation experiments. Meanwhile, fresh soils are sampled through the typical rice growth periods to elucidate the microbial mechanisms of effects of the coupling technique on CH4 and N2O emissions by analyzing the abundance, structure and diversity of soil microbial communities related to methane and N2O production. From the aspects of agricultural cost, crop yield and comprehensive greenhouse effect, we assess the environmental and economic benefits of the combination of controlled irrigation and CRF application with the objective to provide more theoretical bases for mitigations of golbal warming.

控制灌溉和控释肥施用耦合措施有望缓解稻田CH4和N2O交互排放效应和避免高量氮肥施入带来的生态环境效应。稻田CH4和N2O的产生几乎完全依赖于微生物过程，但目前稻田水肥综合管理影响CH4和N2O排放的微生物驱动机制仍不清楚。本课题选取江苏句容，江西鹰潭，四川乐山的三种典型水稻种植区的原状土柱为研究对象，通过温室盆栽试验研究控制灌溉下控释肥施用对CH4和N2O排放的影响；同时结合微宇宙室内培养试验，揭示稻田CH4和N2O产生和排放的季节变化规律及其对水肥耦合措施的响应；进一步利用微生物分子生态学技术，研究典型水稻生长期产甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化功能菌的数量和组成变化规律，探讨水肥管理措施影响稻田CH4和N2O排放的微生物机制；最后分析控制灌溉和控释肥施用耦合措施对作物产量、农业成本和综合温室效应的影响规律，系统评估耦合措施的农业与环境效益，为稻田温室气体减排提供理论依据。

本研究通过盆栽试验研究不同节水灌溉模式和控释肥施用耦合措施对稻田CH4和N2O排放的影响；同时利用荧光实时定量PCR、末端限制性片段长度多态性T-RFLP和高通量测序等微生物分子生态学技术，研究与CH4和N2O产生排放相关的土壤功能微生物数量和组成的变化规律，以揭示水肥管理措施影响稻田CH4和N2O排放的微生物机制。研究发现：与长期淹水相比，两种节水灌溉模式（间隙灌溉和控制灌溉）均提高了稻田土壤N2O排放总量，但是显著抑制了CH4排放；施用氮肥下，控灌处理CH4排放总量低于间灌处理，而二者的N2O排放总量没有显著性差异。与对照相比，三种水分管理模式下施用氮肥均提高了稻田土壤N2O排放总量，其中控释肥处理与尿素处理之间无显著差异。然而CH4排放总量对施氮处理的响应随水分管理模式的不同而不同，持续淹水和控制灌溉模式下，氮肥施用抑制CH4排放，其中持续淹水下控释肥处理低于尿素处理，而控灌下相反；间隙灌溉模式下，施用氮肥促进CH4排放，其中尿素和控释肥处理间无显著差异。从CH4和N2O的综合温室效应来看，控灌和间灌两种节水模式均显著降低综合温室效应，其中控灌减排效果优于间灌模式；与尿素相比，控释肥处理综合温室效应略高于尿素处理，但二者无显著性差异。间隙灌溉对古菌和细菌丰度无显著影响，然而对功能微生物的丰度产生显著影响，其中烤田显著降低了产甲烷菌、甲烷氧化菌和nirS/nirK/nosZ型反硝化菌的丰度，但提高了氨氧化细菌的丰度。与尿素相比，施用控释肥增加了土壤细菌、古菌和产甲烷菌数量，降低了土壤甲烷氧化菌、氨氧化菌、反硝化菌数量。T-RFLP分析技术和高通量测序分析表明间隙灌溉模式下不同水分管理阶段显著影响稻田土壤古菌和细菌群落结构，而氮肥施用（尿素和控释肥）对土壤古菌和细菌群落结构没有明显影响。稻季CH4和N2O的排放量与土壤微生物丰度之间存在显著相关性：CH4排放量与古菌、产甲烷菌和甲烷氧化菌数量均呈极显著正相关关系，而与氨氧化菌数量呈显著负相关关系；N2O排放量与氨氧化菌、甲烷氧化菌、nirK型反硝化菌和nosZ型反硝化菌数量呈显著正相关关系，而与nirS型反硝化菌无显著相关性。因此，本研究表明节水灌溉和控释肥施用耦合措施通过影响相关微生物的群落丰度进而影响CH4和N2O气体的排放。