水稻田厌氧铵氧化-铁还原耦合及其对全球变化响应的研究

Rice paddy ecosystems receive huge amounts of synthetic nitrogen (N) fertilizers each year. Despite decades of research, however, the underlying mechanisms by which soil microbes regulate the nitrogen cycle in rice paddies and its response to climate change remain elusive. Denitrification and ammonia volatilization have often been identified as two major pathways of ammonium-N loss in rice paddies, but could not fully explain the gap of the N balance estimation in field. Previously, we found that elevated atmospheric CO2 facilitated anaerobic microbial activity, increased ferrous ions (Fe2+) in rice paddies, but decreased the N use of rice plants. In this proposed research, we hypothesize that anaerobic ammonium oxidation coupled to iron reduction is one of major pathways of N loss in rice paddies. We also propose that soil microbes play a key role in mediating the reaction of ammonium oxidation-iron reduction, and elevated CO2 and experimental warming facilitate this process in rice paddy systems. We will combine both 15N-labelling microcosm and field experiments (the T-FACE global change research platform) to test these hypotheses. Our research will provide a theoretical foundation for projection of rice paddy ecosystem responses to, and for management of N fertilizer production and application under, future climate change scenarios.

水稻田生态系统每年投入大量人工合成氮肥尤其是铵态氮；但是，铵态氮在水稻田土壤中转化及其对全球变化的响应机制目前尚不清楚。反硝化、氨挥发等造成的氮损失不能完全解释铵在水稻田土壤中转化。我们前期研究表明大气CO2浓度升高促进水稻田土壤厌氧微生物活性和土壤中高价铁等氧化物还原反应；但增施氮没有显著增加植物生长，致大量氮素损失。本项目在理论计算的基础上假设：厌氧条件下土壤中大量铁氧化物作电子受体氧化铵生成氮气是水稻田氮素损失主要途径之一，并且这一过程受土壤微生物调控，全球变化因子大气CO2浓度升高与地表温度增加会加速这一过程。我们将利用现有的中国水稻CO2-增温（T-FACE）全球变化研究平台，结合室内稳定同位素15N示踪与野外大田定位实验来验证这一假设。本研究将有助于预测水稻生态系统对未来全球变化的响应，也为我国未来全球变化条件下氮肥合理生产与施用以及评估其对环境影响提供理论与实践依据。

水稻田生态系统每年投入大量人工合成氮肥尤其是铵态氮；但是，铵态氮在水稻田土壤中转化及其对全球变化的响应机制目前尚不清楚。反硝化、氨挥发等造成的氮损失不能完全解释铵在水稻田土壤中转化。因此，水稻土中可能存在未知的铵转化途径。我们的研究发现：1）大气二氧化碳浓度升高能够显著改变水稻田土壤微生物结构，并且促进微生物介导的厌氧铵氧化过程；2）厌氧铵氧化-亚硝还原反应在水稻田中没有显著的效应，但是水稻田中大量存在的铁氧化物和锰氧化物可以作为电子受体在厌氧条件下氧化铵离子，从而造成铵态氮的损失；3）厌氧铵氧化与铁和锰还原耦合两种反应在不同pH值的水稻土中广泛存在，表层水稻土厌氧铵氧化铁还原效应最明显，而厌氧铵氧化锰还原反应在水稻田中下层最为活跃；4）利用稳定同位素示踪与核酸探针技术以及新一代测序技术鉴定出可能参与厌氧铵氧化铁还原的微生物群落。受本项目资助部分研究成果以依托单位浙江大学为第一作者和通讯单位发表在国际知名专业学术期刊《Ecology》（2016刊出）、《ISME Journal》(2017刊出)以及《Science》(接受，2018)。其中，本项目部分主要研究成果已经完成论文初稿。本项目相关研究系统阐述了水稻田铵态氮转化新的机制，对我国未来氮肥的合理生产与施用以及评估其对水体环境和气候变化的影响提供了一定理论与实践依据。