典型水稻土干湿交替过程中N2O释放的微生物驱动机制

农业土壤是大气温室气体N2O的主要来源。稻田占我国耕地总面积的27%，研究其N2O排放的过程机理对我国农业减排意义重大。稻田土壤N2O排放主要集中在干湿交替过程，本研究通过田间与室内模拟相结合，现代分子生物学与传统的土壤化学和土壤生物化学等结合，采用实时PCR、T-RFLP、DGGE、cDNA文库构建等分子生物学手段和方法，系统研究典型水稻土干湿交替过程中包括落干过程、淹水过程N2O释放与土壤水分和土壤氧化还原电位的关系，与土壤细菌、真菌和关键功能基因amoA、nosZ和P450nor等的群落组成和丰度的耦合关系，与上述功能基因的表达多样性和组成、表达数量等的耦合关系，结合土壤硝化势、反硝化势和氧化亚氮还原酶活性测定，从不同角度揭示水稻土干湿交替过程中N2O排放的微生物驱动机制，为调控水稻土N2O排放提供重要的理论依据。

通过室内培养试验与田间试验相结合，利用了物理、化学和分子生物学等技术系统研究了典型水稻土淹水-落干过程驱动N2O排放的微生物过程机理。研究结果表明，水稻土含水量为80% WFPS 时N2O释放量最大，含水量在60% WFPS时细菌比真菌对N2O排放的贡献要大。淹水-落干过程中Eh的变化与N2O释放动态显著相关明确了氧化还原点位是调控N2O排放的主导因子；淹水-落干过程中N2O的释放量主要是细菌作用产生，真菌的贡献只占10%左右；反硝化微生物的组成和数量对落干过程反应敏感和迅速，排水后24小时硝酸还原酶基因（narG）和氧化亚氮还原酶基因（nosZ）丰度和群落组成便发生明显变化，其中，nosZ的组成和丰度响应最快，落干1天就达到差异极显著，而在后续的落干中不再有显著改变。而narG基因的响应则随落干的进行其组成和丰度由渐变到突变，但AOA却无明显变化。统计结果表明，narG基因丰度和组成与土壤Eh和N2O排放速率间呈显著相关，而nosZ基因没有这种相关性，表明水稻土淹水-落干过程中含narG基因的微生物种群组成和数量是驱动N2O排放的关键反硝化微生物种群，而含nosZ基因的微生物种群与N2O排放动态并无直接关系；在田间淹水和落干期，nirK和nosZ基因丰度与N2O排放量之间均无显著相关性，但nirK和nosZ基因转录子丰度的比值与N2O排放量显著正相关，表明反硝化微生物的表达活性与土壤N2O排放活性关系更为紧密。研究结果可为深入探讨稻田土壤氮素循环与调控机理提供重要的科学依据。