长期保护性耕作下旱作农田土壤温室气体排放的微生物作用机理

Dryland area in our country accounts for about 56.84% of the total arable land area, is the main agricultural production in the process of CO2 and N2O emission source. Conservation tillage because of its advantage such as soil improvement, soil, it has been a large area of arid regions in the north extension and application. At the same time, long-term conservation tillage can change soil microenvironment, influence the soil microbial community structure and ecological function, and, in turn, affects the soil in greenhouse gas emissions. So the long-term conservation tillage under dryland farmland CO2 and N2O emissions of microbial mechanism has important guiding significance to the production and application of ecological value. This project base on dryland agricultural production and farmland ecological status quo, research on dryland farmland major greenhouse gas CO2 and N2O emission characteristics, combined with the soil carbon source utilization of the microbial community diversity, carbon and nitrogen function the change of the microbial community structure and abundance composition, constructing a structural equation model, revealing the microorganisms in long-term conservation tillage under dryland farmland and the functional mechanism of CO2 and N2O emissions, to build efficient, ecological and sustainable conservation tillage technology system to provide theoretical support, and for the science promotion of conservation tillage technology to lay the theoretical foundation.

我国旱作农田面积约占总耕地面积的56.84%，是农业生产过程中CO2和N2O的主要排放源。保护性耕作因其改良土壤、保持水土等优点，已在北方旱区得到了大面积的推广和应用。同时，长期保护性耕作可改变土壤微生境，影响土壤微生物群落结构组成和生态功能，进而影响土壤温室气体的排放。因此，研究长期保护性耕作下旱作农田CO2和N2O排放的微生物作用机理具有重要的生产指导意义和生态运用价值。本项目立足于旱作农业生产和农田生态现状，研究旱作农田主要温室气体CO2和N2O排放的变化特征，结合土壤微生物群落碳源利用多样性、碳氮功能微生物群落丰度和结构组成的变化，构建结构方程模型，揭示微生物在长期保护性耕作下旱作农田CO2和N2O排放中的作用机理，为构建高效、生态、可持续的保护性耕作技术体系提供理论支撑，并为保护性耕作技术的科学推广奠定理论基础。

温室气体排放所造成的全球气候变暖是人类面临的最为严峻的环境问题之一，其中CO2、CH4和N2O是主要的温室气体。长期保护性耕作措施可通过调节土壤微生物群落结构和生态功能，影响土壤CO2和N2O的排放。本研究立足旱作农业生产现状，系统地研究保护性耕作处理下冬小麦生育期内土壤CO2、CH4和N2O排放规律，明确土壤碳氮功能微生物群落在土壤CO2和N2O 排放中的作用，探究长期保护性耕作下旱作农田土壤温室气体排放中微生物的作用机理，为构建高效、生态、可持续的保护性耕作技术体系提供理论支撑。.1）长期的保护性耕作可有效减少温室气体（CO2、CH4和N2O）排放和降低旱作农田净温室效应。与翻耕相比，长期保护性耕作下深松耕和免耕N2O累积排放量平均分别降低37.54％和56.55％，CO2累积排放量平均分别降低10.85％和13.18％，CH4累积吸收量平均分别增加577.05%和727.87%。此外，与PT比较，CPT和ZT平均综合温室效应分别降低了2001.33和2898.65 kg CO2-eq ha-1yr-1，降幅达14.97％和21.68％；净综合温室效应降低了480.65和708.29 kg CO2-eq ha-1yr-1，降幅达49.08％和72.33％。.2）保护性耕作土壤减少CO2排放的主要机制是通过增加宏团聚体形成，调节微生物群落的碳生态功能减缓团聚体SOC的分解，减少CO2排放。与传统耕作相比，保护性耕作土壤有机碳矿化速率较低，有利于土壤有机碳的储存作用。保护性耕作改变了土壤团聚体结构，调控了marA和smrA丰度，限制了SOC矿化，从而有助于SOC存量的积累。微生物群落C生态功能是保护性耕作调控土壤有机碳固存和矿化的关键因素。.3）长期保护性耕作显著减少土壤农田N2O排放与土壤性质和微生物N代谢途径活性密切相关。保护性耕作土壤N2O排放通量和累积排放量较低，是amoA和nirS丰度较低，nosZ丰度较高的综合结果。结果表明，长期保护性耕作可以显著改变微生物群落，从而提升土壤N2O汇的能力。nosZI和nosZII-N2O还原剂的生态位差异可以部分解释长期保护性耕作土壤N2O排放的减少。此外，反硝化N2O还原菌群，如Anaeromyxobacter spp.，能够适应较少的土壤干扰，因此可能是一个有前途的物种，在N2O减少为导向的微生物控制策略。