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伴随化石燃料燃烧和森林砍伐，大气二氧化碳(CO2)浓度持续增加，全球地表平均温度升高，进而深刻改变全球气候。全球气候变化一方面导致冰川融化，海平面上升，威胁人类的生存环境；另一方面也会深刻改变陆地生态系统的结构和功能。有关大气CO2浓度升高对陆地生态系统影响的研究多集中在自然生态系统如草地和森林生态系统；尽管农业生态系统支撑人类社会主要粮食需求，但是，农业特别是水稻生态系统对大气CO2浓度升高响应的深入研究相对缺乏。能否通过进一步增加稻田生态系统氮肥投入，进而维持稻田生态系统生产力对大气CO2浓度升高的响应是一重要的科学问题。而要回答此问题，取决于深入理解氮肥在稻田土壤中的转化及其响应大气CO2浓度升高的机理。
在大气CO2浓度升高的条件下，由于植物更喜欢吸收铵态氮而不是硝态氮，因此铵态氮肥的使用可能会促进稻田生态系统水稻的生长。但是，过去的研究发现增施氮肥并没有显著促进植物生长，反而有大量的氮素损失。反硝化、氨挥发等造成的氮损失不能完全解释铵态氮在水稻田土壤中的转化。近期有研究表明铵态氮在厌氧条件下也可以被特定微生物氧化成氮气，但是铵的厌氧氧化过程在稻田土壤中的相关研究尚不多见，大气CO2浓度的升高对稻田土壤中铵态氮在厌氧条件下稳定性的影响更是研究空白。本研究依托于已运行15年的中国水稻FACE(Free Air CO2 Enrichment)全球气候变化研究平台，将着重：1)探讨厌氧条件下水稻田土壤中的铵态氮是否会被氧化，会被土壤中的哪种氧化物所氧化，以及微生物在其中的主要作用；2)研究大气CO2浓度的升高对稻田土壤中铵态氮的厌氧氧化过程的影响；3)估算未来大气CO2浓度升高条件下铵态氮肥的损失情况。研究取得了以下主要结果：
第一，我们采集了不同pH、不同深度的稻田土壤在室内进行厌氧培养，设计不同的底物添加处理，并通过稳定同位素(15N)示踪方法研究了稻田土壤中铵态氮在厌氧条件下的稳定性。结果发现：稻田土壤中大量存在的铁氧化物可以在厌氧条件下氧化铵离子(厌氧氨氧化铁还原耦合反应)，产物主要为氮气，其次是硝态氮，而产生的硝态氮会通过反硝化反应进一步生成氮气；表层土壤中的厌氧氨氧化铁还原耦合反应最为活跃；不同pH的稻田土壤中均发现了厌氧氨氧化铁还原耦合反应的存在。上述结果说明了之前被认为在厌氧的稻田土壤中可以稳定存在的铵态氮是能被氧化而损失的。本研究发现厌氧氨氧化铁还原耦合反应在稻田土壤中是存在的，且是铵态氮直接损失的重要途径。
第二，我们分别采集了FACE平台内的稻田土壤在室内进行厌氧培养和设计了原位生物反应器在FACE平台内进行原位观测，并分别通过室内稳定同位素(15N)示踪和原位大田稳定同位素(15N)示踪方法研究了升高的大气CO2浓度对于稻田土壤铵态氮稳定性的影响。结果发现：大气CO2浓度的升高会显著增加稻田土壤中在厌氧条件下介导氮转化的相关微生物功能基因的丰富度；而高大气CO2浓度会显著促进厌氧氨氧化铁还原耦合反应，从而在厌氧条件下将更多的铵态氮转化为氮气。上述结果表明大气CO2浓度的升高会导致稻田生态系统中的铵态氮大量流失，而大气CO2浓度的升高所造成的更多铵态氮的损失归因于厌氧氨氧化铁还原耦合反应。
第三，我们采集了稻田土壤在室内进行厌氧培养，通过稳定同位素示踪标记DNA(DNA-SIP)技术，荧光原位杂交(FISH)技术和16SrRNA测序技术鉴定了介导稻田土壤厌氧氨氧化铁还原耦合反应微生物的种类。本研究首次确定了一种属于Burkholderiales目下新的自养细菌成员，该细菌利用土壤CO2作为碳源，并通过介导厌氧氨氧化铁还原耦合反应而获取能量。并且，该菌在大气CO2浓度的升高的条件下拥有更高的丰富度和活性，会促进更多的铵态氮的损失。
本研究发现了一种稻田生态系统中氮素流失的新途径，并提出了在农业生态系统中微生物响应气候变化的新的理论机制；此外，我们的发现还提供了对陆地生态系统中氮元素与铁元素耦合循环的新的见解，并提出了在未来气候变化的条件下农业生态系统中铵态氮大量损失的问题，为全球未来氮肥的合理生产与施用以及评估对环境影响提供理论与实践依据。
在大气CO2浓度升高的条件下，由于植物更喜欢吸收铵态氮而不是硝态氮，因此铵态氮肥的使用可能会促进稻田生态系统水稻的生长。但是，过去的研究发现增施氮肥并没有显著促进植物生长，反而有大量的氮素损失。反硝化、氨挥发等造成的氮损失不能完全解释铵态氮在水稻田土壤中的转化。近期有研究表明铵态氮在厌氧条件下也可以被特定微生物氧化成氮气，但是铵的厌氧氧化过程在稻田土壤中的相关研究尚不多见，大气CO2浓度的升高对稻田土壤中铵态氮在厌氧条件下稳定性的影响更是研究空白。本研究依托于已运行15年的中国水稻FACE(Free Air CO2 Enrichment)全球气候变化研究平台，将着重：1)探讨厌氧条件下水稻田土壤中的铵态氮是否会被氧化，会被土壤中的哪种氧化物所氧化，以及微生物在其中的主要作用；2)研究大气CO2浓度的升高对稻田土壤中铵态氮的厌氧氧化过程的影响；3)估算未来大气CO2浓度升高条件下铵态氮肥的损失情况。研究取得了以下主要结果：
第一，我们采集了不同pH、不同深度的稻田土壤在室内进行厌氧培养，设计不同的底物添加处理，并通过稳定同位素(15N)示踪方法研究了稻田土壤中铵态氮在厌氧条件下的稳定性。结果发现：稻田土壤中大量存在的铁氧化物可以在厌氧条件下氧化铵离子(厌氧氨氧化铁还原耦合反应)，产物主要为氮气，其次是硝态氮，而产生的硝态氮会通过反硝化反应进一步生成氮气；表层土壤中的厌氧氨氧化铁还原耦合反应最为活跃；不同pH的稻田土壤中均发现了厌氧氨氧化铁还原耦合反应的存在。上述结果说明了之前被认为在厌氧的稻田土壤中可以稳定存在的铵态氮是能被氧化而损失的。本研究发现厌氧氨氧化铁还原耦合反应在稻田土壤中是存在的，且是铵态氮直接损失的重要途径。
第二，我们分别采集了FACE平台内的稻田土壤在室内进行厌氧培养和设计了原位生物反应器在FACE平台内进行原位观测，并分别通过室内稳定同位素(15N)示踪和原位大田稳定同位素(15N)示踪方法研究了升高的大气CO2浓度对于稻田土壤铵态氮稳定性的影响。结果发现：大气CO2浓度的升高会显著增加稻田土壤中在厌氧条件下介导氮转化的相关微生物功能基因的丰富度；而高大气CO2浓度会显著促进厌氧氨氧化铁还原耦合反应，从而在厌氧条件下将更多的铵态氮转化为氮气。上述结果表明大气CO2浓度的升高会导致稻田生态系统中的铵态氮大量流失，而大气CO2浓度的升高所造成的更多铵态氮的损失归因于厌氧氨氧化铁还原耦合反应。
第三，我们采集了稻田土壤在室内进行厌氧培养，通过稳定同位素示踪标记DNA(DNA-SIP)技术，荧光原位杂交(FISH)技术和16SrRNA测序技术鉴定了介导稻田土壤厌氧氨氧化铁还原耦合反应微生物的种类。本研究首次确定了一种属于Burkholderiales目下新的自养细菌成员，该细菌利用土壤CO2作为碳源，并通过介导厌氧氨氧化铁还原耦合反应而获取能量。并且，该菌在大气CO2浓度的升高的条件下拥有更高的丰富度和活性，会促进更多的铵态氮的损失。
本研究发现了一种稻田生态系统中氮素流失的新途径，并提出了在农业生态系统中微生物响应气候变化的新的理论机制；此外，我们的发现还提供了对陆地生态系统中氮元素与铁元素耦合循环的新的见解，并提出了在未来气候变化的条件下农业生态系统中铵态氮大量损失的问题，为全球未来氮肥的合理生产与施用以及评估对环境影响提供理论与实践依据。