前期水分和即时水分及其复合作用下旱地黑土N2O产排及硝化反硝化微生物性状的变化

Soil moisture is the major factor influencing microbial properties and N2O production. In view of soil water history, five antecedent water regimes and three present water statuses were set up. Five antecedent regimes include original keeping, air-drying, low moistening, high moistening and submerging. Three present water statuses include different water content, dry-wet cycle and stepwise changing water. 15N tracing technique and modern molecular biotechnology (Q-PCR and Pyrosequencing) were used to investigate N2O production and nitrifying-denitrifying microbial properties under antecedent and present water conditions. We presume theoretic hypothesis that N2O production and nitrifying-denitrifying microbial properties are dependent on the antecedent water regimes and the frequency and intensity of dry-wet cycle in some degree. These experiments are intended to illustrate the effect of soil water conditions on N2O production processes and on nitrifying-denitrifying microbial properties, to seek the relationship of N2O production to nitrifying-denitrifying microbial communities, to investigate the key microbes controlling N2O production. These findings are useful for evaluating fertility and environmental impact of water mode on N2O production in black soils.

水分状况是调控土壤微生物性状和N2O产排的重要因子。从土壤水分历史（前期水分）入手，设置5种前期水分机制（原状、风干、低水分、高水分和淹水），在3种即时水分状况（不同含水量、干湿交替和梯度渐变水分）下，采用15N同位素示踪技术和Q-PCR、Pyrosequencing等现代分子生物学技术研究前期水分机制、即时水分状况及二者的复合作用对长期施肥的旱地黑土N2O产排及硝化反硝化微生物种群功能活性的影响。提出土壤前期水分条件及干湿交替的频度和强度很大程度上决定N2O产排和硝化反硝化微生物性状的理论假设。阐明水分使黑土N2O各条产生途径相对贡献的改变情况，水分对黑土硝化反硝化微生物学特性的影响；不同水分条件下硝化反硝化微生物响应机制与N2O产生的关系，黑土中哪种关键硝化反硝化微生物的功能活性调控N2O的产生过程。研究成果对于合理评价水分模式对黑土N2O排放的环境及肥力效应有重要的参考价值。

以黑土为研究对象，设定不同土壤水分状况，即不同前期水分处理、干湿交替、梯度渐变水分，测定无机氮含量、N2O产排、硝化反硝化微生物功能基因、微生物种群结构和数量等指标的变化，评价前期水分和即时水分对N2O产排和硝化反硝化微生物的影响，结果显示:1）经5种水分前处理后，氮素矿化率、硝化率及反硝化率分别在含水量为60%WHC、80%WHC和100%WHC时差异最明显。氨氧古菌AOA amoA基因拷贝数远高于氨氧化细菌AOB amoA基因，淹水条件下AOA amoA很高，40%WHC水分下AOB amoA基因较多。40%WHC水分对反硝化功能基因nirS和nosZ无显著影响，淹水下nirS基因大量存在，而80%WHC nosZ基因较多。由40%变为80%WHC，nosZ基因增加量最大，反硝化率较高，N2O排放最高，由60%变为80%WHC和由80%变为80%WHC的处理，反硝化作用更完全，N2O排放量降低。淹水土壤中反硝化微生物的种群丰度和数量明显增加；2）由40%WHC到80%WHC的矿化率及硝化率的变化量明显小于由80%WHC到40%WHC过程。干湿交替没有显著增加N2O的排放，且显著小于80%WHC含水量下的土壤。干湿交替增加了AOB amoA基因，减少了nosZ基因，降低了微生物种群数量；3）梯度递增水分过程，矿化率及硝化率在80%WHC时最大，反硝化率在100%WHC含水量时最大。由干到湿的过程中，反硝化作用在100%WHC含水量时最强，N2O排放量最大。由湿到干的过程中，随着水分含量的减少，土壤中N2O的产生量也随之减少。同一水分下，由湿到干N2O的排放量要高于由干到湿的过程。梯度递增水分促进AOA amoA和nosZ基因的增加，AOB amoA基因与硝化率变化一致，是硝化过程的主要驱动者；4）黑土的硝化作用相对较弱，不论在低水分还是高水分阶段，反硝化作用都比较强，且在高水分条件下，黑土的反硝化作用中N2O进一步还原为N2的能力较强。研究成果对于合理评价水分模式对黑土N2O排放的环境及肥力效应有重要的参考价值。