不同土地利用方式土壤硝化与反硝化作用对N2O排放的贡献及微生物驱动机制

Distinguishing the source of the N2O via nitrification and denitrification and understanding the molecular mechanisms under different land use patterns is of vital importance for the estimate and predict the nitrous oxide flux. This project will focus on the relationship between environmental benefit and microbial community and function. Contributions of nitrification and denitrification to N2O emissions will be measured by 15N tracer experiments; N-cycling function gene expression patterns and their co-ordinations with N2O producing and releasing will be investigate by using PCR, real-time PCR, T-RFLP, molecular cloning and DNA/RND-SIP 454 sequencing techniques; The effect of environmental factors (temperature and moisture) on the contributions of nitrification and denitrification to N2O emissions by control test. These studies will find out the contributions of nitrification and denitrification to N2O emissions under different land use patterns, explore the molecular mechanisms of the evolution of functional micro-community of nitrification and denitrification and the effect of the expression of key nitrifying and denitrifying genes on N2O production, and make clear the influence mechanism of external environment factors (temperature and moisture). The due results will be valuable in controlling N2O emissions from soil.

区分不同土地利用类型土壤N2O排放的硝化和反硝化作用来源并探讨微生物驱动机制对理解环境因子改变如何影响N2O排放、准确估算和预算土壤N2O排放通量具有重要意义。本项目以"环境效应-微生物群落结构和功能"之间的关系为切入点，以中国南方亚热带区域四种不同土地利用类型土壤为研究对象，综合应用稳定性同位素15N底物标记技术和现代微生物分子生物技术，通过田间长期定位试验和室内培养模拟试验相结合，研究不同土地利用类型硝化/反硝化作用对土壤N2O排放的贡献，进一步从微生物分子生态角度深化研究不同硝化/反硝化功能微生物对N2O产生的贡献，探索调硝化/反硝化微生物种群结构和表达与N2O排放的耦合关系。同时加大环境因子（温度和水分）对硝化/反硝化作用对N2O排放贡献率的影响研究，明确调控硝化/反硝化作用对N2O排放贡献率的影响因素及微生物机制。通过上述研究为全球N2O的减排提供理论基础。

项目依托桃源农业生态试验站红壤坡地不同利用模式长期定位试验和亚热带稻田主要耕作制度长期定位试验，选择稻田、旱地农田，油茶林和松林四种土地利用方式，2年时间内分季节原位监测N2O排放规律，同时采集土壤样品测定土壤硝态氮、氨态氮和DOC含量，提取土壤DNA，分析硝化与反硝化功能微生物群落结构与丰度。项目明确了原位监测条件下，环境因子（温度，土壤含水量等）对N2O排放的影响高于土壤微生物转化过程；室内培养条件下，随着含水量增加，氮肥通过N2O排放造成的损失率增加，硝态氮肥通过N2O损失率显著高于铵态氮肥。四种土地利用方式，不同含水量条件下，反硝化作用对N2O排放的贡献均占主导地位（78.87%-93.67%），N2O排放速率与硝化功能基因丰度没有显著相关关系，与反硝化功能基因narG丰度正相关。在底物充足的条件下，温度升高， N2O累计排放量增加，反硝化作用消耗了土壤中硝态氮，氨化作用产生的氨态氮为硝化作用提供底物而产生N2O。研究结果在提高氮肥利用率，减少农业N2O减排，全球气候变化研究等方面提供理论基础。