农业旱地N2O排放的温度敏感性及其微生物驱动机制研究

作为三大温室气体之一和最大的臭氧破坏气体，土壤N2O释放的温度敏感性变异很大，可对未来气候产生不同的反馈效应，但控制该过程的微生物机制尚不清楚。本项目首先将评价我国农业旱地N2O释放的温度敏感性。然后将结合酶促反应动力学和微生物生态学两种研究思路，用抑制剂和15N稳定同位素技术区分N2O释放的途径，用定量PCR定量功能基因丰度和转录强度，用以表征产N2O相关酶的数量，通过分析各产N2O途径的活化能与相关功能微生物群落结构的对应关系，探索内在N2O释放温度敏感性的微生物调控机制；同时，通过研究酶的数量和底物供应对温度变化的响应，及其对相应N2O释放过程温度敏感性的贡献，探索表观N2O释放温度敏感性的微生物调控机制。该项目对预测和调控N2O与气候变化的反馈作用具有重要意义。

N2O作为三大温室气体之一和最大的臭氧破坏气体，其人为增长的主要来源是农业生产活动。土壤N2O释放的温度敏感性变异很大，可对未来气候产生不同的反馈效应，但控制该过程的微生物机制尚不清楚。由于尿素、硝化抑制剂及两者配施，有机肥、无机肥以及两者配施是农业生产中普遍应用的农艺措施，且对土壤N2O释放有着明显影响。本项目首先研究了长期施肥条件下，土壤反硝化潜势变化及其相关微生物机制，和施肥对土壤N2O释放温度敏感性的影响和微生物驱动机制。还研究了尿素及硝化抑制剂配施对N2O释放的影响和硝化微生物的响应。最后通过调查全国不同土壤类型，总结出影响土壤N2O排放温度敏感性的因素和微生物机理。.研究结果表明：（1）长期施用有机肥能显著提高东北黑土的反硝化潜势，黑土中nirS型反硝化菌的丰度和群落结构对有机肥比无机肥有更显著的响应，且其种群丰度的增加和群落结构的改变与反硝化潜势的提高显著相关。（2）长期施用有机肥显著提高了土壤N2O释放的温度敏感性。在施有机肥的处理中，反硝化途径释放N2O占总N2O释放量的比例有所增加。nirS型反硝化菌的丰度和群落结构与N2O释放温度敏感性的变化显著相关。（3）在中国北方三种典型耕作土壤（潮土、黑土和水稻土）中，尿素和硝化抑制剂Nitrapyrin（NP）对土壤N2O释放有增高和抑制作用，增高和抑制的效果随着土壤类型不尽相同。不同土壤中N2O释放随着尿素和NP处理的变化原因主要是硝化过程中氨氧化细菌（AOB）的生长。（4）在对全国12种不同土壤类型的调查中，土壤N2O释放温度敏感性受土壤无机氮含量、全氮含量、有机质含量和土壤质地的影响，与pH无显著相关。在12种土壤类型中，粘土类土壤类型的N2O温度敏感性主要来源于化学过程如化学反硝化、硝酸铵降解等。而壤土类土壤类型的N2O温度敏感性主要与反硝化过程中nirS、nirK和nosZ型反硝化菌的生长显著相关。..本项目的研究结果揭示了长期施肥处理对于土壤N2O排放的温度敏感性有着非常显著的提高，反硝化过程是贡献土壤N2O排放温度敏感性的主要途径，并且这一过程主要是伴随着nirS型反硝化菌的生长。对硝化过程来说，尿素和硝化抑制剂的施用对土壤N2O有着显著的提高和抑制效应，这些效应主要是和氨氧化细菌的生长紧密相关。另外，pH较低的粘土类土壤如红壤主要由化学过程释放N2O，受无机氮含量、可溶性有机氮含量影响。