铁驱动的稻田土壤氮循环关键过程研究

Paddy is a typical agricultural ecological system in our country. Nitrogen cycle is quite active with the accumulation of reactive nitrogen and loss in the paddy environment due to frequent fertilization, leading to a series of environmental problems. Furthermore, the redox of iron plays a key role in driving the biogeochemical processes of nitrogen. Iron cycle coupling other environmental processes has become a hot spot of international research. However, the driving mechanism of iron to the nitrogen cycle is still unclear in paddy soils since the relative research is in its infancy. Therefore, paddy soils were used in our subject to do the following research work: 1. The effects of irrigation and fertilization on pivotal nitrogen transformation processes with iron driven; 2. The related microbial mechanisms during the Fe-N coupling transformation processes; 3. The respective contribution ratio of denitrification and anaerobic ammonia oxidation processes to gaseous-N loss; 4. The nitrogen cycle model considering the role of iron comprehensively is established basing on the above polyphyletic biochemical test data, in order to reveal the rules of multiple chemical processes of nitrogen and provide powerful means for guiding the efficient utilization and management of nitrogenous fertilizer resources in the paddy field system.

稻田是我国典型的农田生态系统。频繁的施肥使得稻田环境氮循环活跃，活性氮累积和流失引发了一系列的生态环境问题。干湿交替下活性铁的氧化还原在氮素的生物地球化学过程中起着关键的驱动作用。铁循环及其环境过程耦合已经成为国际研究的热点前沿。但针对水稻土的研究还处于初级阶段，即稻田中铁循环对氮循环过程的驱动机理尚不明确。因此，本课题拟以水稻土为研究对象，研究水肥对铁氮耦合过程的影响及相关微生物学机制，定量氮关键转化过程分别对氮素气态损失的贡献率，在多源生化试验数据的基础上建立综合考虑铁驱动作用的氮循环模型，为揭示氮素多化学反应过程和规律，指导稻田系统氮肥资源的高效利用和管理提供有力手段。

近年来，我国农田系统中高强度氮肥施用不仅导致氮肥利用率下降，同时，活性氮累积和流失亦引发一系列的生态环境问题。铁通过不同价态之间的转化与氮素转化过程密切联系。为了深入探讨土壤中铁元素对氮素循环转化的驱动机理。本文选取江西德安和湖北屈家岭富铁红壤和水稻土作为研究对象，在考察了高氮投入下红壤和水稻土潜在的反硝化能力和内源铁对反硝化的驱动作用后，利用厌氧微域培养试验，探究了铁循环对温室气体排放的调节作用和环境效应；另外，利用添加亚铁的混合培养试验结合定量PCR和高通量测序技术，结合模型，深入探讨了亚热带水稻土铁、氮耦合转化动力学过程及微生物学机制。主要的创新性成果如下：.1. 以往对土壤反硝化的研究多是针对单一过程进行，本研究将铁自养和异养反硝化过程结合研究，并探讨亚铁和有机碳对反硝化的电子贡献，发现德安水稻土中内源性亚铁对N2O生产所贡献的电子约占37.53%。当向德安和屈家岭水稻土中添加亚铁离子时，亚铁对反硝化的电子贡献随着亚铁浓度的增加而增加，反硝化体系中存在等量的10 mM Ace-C和Fe2+时，有机碳和亚铁对反硝化的电子贡献率分别为80% 和20%。为揭示真实农田水土环境中氮素多反应过程和规律奠定了基础。.2. 从群落结构的角度，以定量PCR结合高通量测序的技术得到了参与硝酸盐还原耦合亚铁氧化功能的微生物结构类群，德安水稻土中潜在的铁基质反硝化菌有：Pseudogulbenkiania、Aquabacterium、Dechloromonas、Thermomonas、Pseudomonas、Azotobacter和Rhodanobacter；而屈家岭水稻土中则主要以Pseudomonas、Dechloromonas、Azotobacter和Rhodanobacter为主。揭示了参与铁自养和异养耦合反硝化过程的最主要的微生物种类，有助于阐明亚热带富铁土壤中铁-氮循环的耦合机制；.3. 从温室气体排放方面探讨亚热带土壤中铁-氮-碳元素耦合循环过程的环境效应。德安水稻土中内源性铁可通过参与反硝化过程影响温室气体的排放，而德安红壤和屈家岭水稻土中内源性铁更倾向于参与有机碳的厌氧发酵而影响温室气体生产。.4. 本项目研究结果对于指导农田氮肥管理、了解铁矿区氮素循环或湿地系统氮污染去除均具有借鉴意义。