休闲期红壤稻田干湿交替过程N2O排放的微生物作用机制

Water regime is the key factor to influence the N2O emission in paddy field. Long fallow season, large fallow area and increasing amount of residue N in tillage season are challenge to N2O emission of paddy field in southern red soil region, simultaneously, the frequent alternation of wetting and drying would strongly affect it. Therefore, it is important to understand the potential of N2O emission during fallow season of paddy field. In this project we will choose the typical paddy field of three long-term fertilization systems, and adopt micro-plot experiment of water modelling in situ, combined with the method of static opaque chamber and gas chromatography, and applying the molecular biology technique of 16S rDNA, PCR, T-RFLP and cDNA. By these ways, we will research the N2O emission flux and trait during the fallow season of paddy field, intensively investigate the key functional genes(amoA、nosZ) of soil nitrification and denitrification including genes diversity and distribution in relation to fertilization and water regime, and clasify the gene expression patterns and the coordinations with N2O emission. In terms of this, these studies will help to reveal the molecular mechanism of the evolution of functional micro-community of nitrification and denitrification, and the effect of expression of key genes on N2O emission under different water regime, which will offer the theoretical basis of controlling the N2O emission during fallow season of paddy field.

干湿交替是影响稻田N2O排放的关键因素。南方红壤稻田休闲期历时长、休闲面积大、稻作季残留氮素日益增加,而休闲期干湿交替频繁更加剧了N2O排放，但休闲期稻田N2O排放通量及其潜力往往被忽视。因此，本研究拟选取3种长期施肥模式的典型稻田，采用大田原位水分模拟微区试验，结合静态暗箱-气相色谱法，综合应用16S rDNA、实时PCR、T-RFLP、cDNA文库构建等分子生物学技术，系统研究休闲期典型红壤稻田干湿交替过程N2O排放通量与特征，阐明N2O排放与土壤Eh等土壤环境要素内在联系，探明N2O排放与土壤中细菌组成和丰度的关系，与细菌、古菌关键功能基因amoA、nosZ等的种群数量、群落组成以及表达活性的耦合关系。通过上述系统深入研究，阐明休闲期不同肥力背景红壤稻田N2O排放特征及其对水分变化的响应规律，揭示干湿交替过程对N2O排放影响的微生物作用机制，为调控休闲期稻田N2O排放提供理论依据。

南方红壤稻田休闲期历时长、休闲面积大、稻作季残留氮素日益增加,而休闲期干湿交替频繁更加剧了N2O排放，研究休闲期稻田N2O排放通量及其影响因素，对稻田固氮减排有重要意义。本项以3种长期施肥模式典型稻田为研究对象，采用大田原位试验结合态暗箱–气相色谱法，系统研究休闲期稻田土壤活性碳、变化特征，休闲期红壤稻田N2O排放通量与特征；采用模拟干湿交替的微区实验和室内培养实验，研究水分变化N2O排放特征，N2O排放与土壤Eh等土壤环境要素内在联系，N2O排放与土壤中关键功能基因种群数量、群落组成以及表达活性的关系。主要研究结果如下：.1) 休闲期能维持较高的活性碳、氮含量。土壤中无机氮主要是NH4+-N含量（14.1~26.7 mg/kg），略低于生育期；各施肥处理稻田休闲期土壤NO3--N平均含量为0.2~0.5 mg/kg，整体都处于较低水平。休闲期土壤各种活性氮总和（MBN+TDN）较生育期增加了16.6~29.5%，占土壤全氮的比率则没有显著变化，不同施肥处理之间也无显著性差异。休闲期活性氮的大小顺序总体为MBN> DON≥NH4+-N。.2) 休闲期稻田土壤N2O-N排放速率整体高于生育期的速率，排放峰值或高值基本出现在休闲期（34.0-87.6 μg/m2/h）。水稻生育期的N2O-N排放速率峰值出现概率较小，81.3%观测N2O-N排放速率 < 5 μg/m2/h。2013-2014年排放通量为0.47-0.72 kg/ha，其中休闲期排放通量占全年排放通量的57.0-74.7%；2014-2015年排放总通量为0.16-0.51 kg/ha，其中休闲期排放通量占全年排放通量的64.5-83.4%。总体来看，休闲期N2O-N排放通量明显高于水稻生育期排放值，是生育期排放量的1.3-5.0倍。.3) N2O 排放对水分落干反应敏感，在短时间内（24h）就出现显著促进作用，在24 h 时N2O 的释放量比淹水对照增加了5 倍多；含narG 基因反硝化微生物是驱动N2O 释放的主要功能微生物，其丰度 和nosZ基因丰度随着落干过程的推移而快速增加，与N2O 排放通量呈极显著相关( P ＜ 0.01)。 表明水稻土反硝化功能基因对水分变化非常敏感，可以推断出N2O排放对水分变化的敏感性主要是通过功能基因narG 等基因对水分的敏感性来实现的。