水分影响水稻土氧化亚氮转化的微生物作用机理

Rice paddy soil is an important N2O sources. Our understanding of N2O emission processes and related driving mechanisms have been improved for the past few years, but the key mechanisms of functional microorganisms in driving N2O consumption in paddy soils are remained largely unknown. Recent studies have shown that the composition and abundance of nitrous oxide-reducing microbial community (nosZ-containing denitrifier) respond sensitively to the water fluctuation during the flooding drying cycles in paddy soil, but how do the function and activity of these nosZ-containing denitrifiers respond to this process are still unclear. In this project, the community composition and abundance of nosZ gene and gene transcripts in response to water fluctuation will be determined using the advanced techniques of high-throughput pyrosequencing and real-time PCR. The inner correlation between the rate of N2O consumption and the structure and activity of nosZ-containing communities will be investigated using 15N-tracer and microbial molecular technologies. Furthermore, the key factors regulating the response of nosZ-containing communities to soil water fluctuation will also be explored. This study will be valuable in understanding controlling greenhouse gas emission in agricultural soils.

稻田土壤是重要的N2O排放源之一。近年来对稻田N2O排放通量和排放过程有了一定的了解，但对土壤N2O消纳转化过程的微生物驱动机理和调控机制缺乏深入研究。本项目将针对氧化亚氮还原菌种群（含nosZ基因）对稻田土壤淹水-落干过程响应敏感但作用机理不清的问题，通过设置室内模拟和田间试验，利用15N同位素示踪技术和高通量测序、实时荧光定量PCR等分子生物学技术，系统研究土壤氧化亚氮还原菌在不同水分状态下的N2O转化功能与其种群组成、丰度及其表达活性的耦合关系，明确影响氧化亚氮还原菌功能的关键调控因子和作用机理。旨在为我国农田温室气体减排和提高氮肥利用率提供重要的科学依据。

本项目针对含nosZ反硝化微生物种群对稻田土壤淹水-落干过程响应敏感但作用机理不清的问题，采用微生物分子生物技术系统研究了不同水分状态下水稻土含nosZ基因的反硝化菌的功能与其种群组成和丰度的耦合关系，揭示了落干过程中调控氧化亚氮还原菌及功能的关键环境因子和机理。研究结果表明，落干后N2O排放通量迅速上升，nosZ种群对落干过程响应迅速。与此同时，硝化微生物AOB和反硝化功能基因narG丰度也显著增加，说明在落干过程中发生了很强的硝化作用，为反硝化作用提供底物，产生大量N2O，进而刺激nosZ种群数量显著提高，并改变其种群结构。但N2O消纳过程对N2O排放的影响有限，而N2O产生过程是决定其排放能力的主导作用。在淹水条件下，水稻土N2O平均消耗速率与土体的N2O浓度成极显著的线性正相关关系，说明淹水水稻土具有极强的N2O消耗潜力。但不同类型土壤N2O还原菌组成结构、丰度和功能活性存在差异。其中潮土的N2O转化速率和N2O还原菌丰度显著高于红壤。在红壤中，N2O的添加显著提高了nosZI基因的丰度并改变其种群组成结构，但对nosZII丰度的影响有限。而在潮土中恰恰相反。说明不同类型土壤N2O消纳转化N2O的能力和关键功能微生物类群可能存在差异。土体中硝酸根的添加导致N2O产生量提高，可在更大程度上刺激nosZ种群的活性。添加外源Fe（Ⅲ）在N2O排放升至高峰期过程中显著降低了nosZ种群的丰度，但同时也显著降低了N2O释放速率，其重要原因可能是外源铁抑制了N2O产生过程反硝化微生物的生长与繁殖，从而减少N2O的产生；而在N2O排放的高峰期后，由于反硝化功能微生物的数量逐渐恢复和残留的NO3-等含氮化合物相对较多，导致加铁处理的N2O释放量明显提高。水分含量高和氧气含量低有利于土壤 N2O的转化和消纳。上述结果可为农田土壤N2O减排提供重要的理论依据。