论文部分内容阅读
氧化亚氮(N2O)是重要的温室气体，也是大气臭氧层的主要破坏者。农田土壤是N2O的主要人为源。深入全面的理解N2O产生过程是我们准确估算其产生量和制定有效减排措施的基础。一直以来，细菌被认为是N2O产生的主要驱动者，近年的研究发现，很多真菌具有产生N2O的能力。尽管土壤真菌产生N2O的现象已被广泛认知，但其贡献率以及内在机理尚不明确，同时，在高量氮肥投入的设施农业中很少有相关报道。对此，在以设施菜地为代表的施肥土壤中，我们通过室内培养实验开展真菌产N2O的研究。主要研究内容和初步结论如下: (1)选取了设施菜地和稻田土壤，利用抑制剂法，通过室内培养实验测定了真菌和细菌对N2O排放的相对贡献率。结果表明，菜地中真菌的生物量显著高于稻田土壤，菜地和稻田土壤中的真菌/细菌的生物量比率分别为2.48和0.48。添加葡萄糖的培养实验表明，设施菜地中几乎所有的N2O(99.09％)排放都是来自于真菌，而稻麦轮作土壤中，细菌和真菌对N2O排放的贡献相当;在没有添加有机碳源的情况下，菜地N2O排放的主要贡献者仍然是真菌，而稻麦轮作的土壤中N2O排放的主要贡献者是细菌。另外，定量PCR的结果也表明，菜地中的真菌/细菌相对丰度更高;虽然真菌缺少N2O还原酶基因(nosZ)，但是，菜地中nosZ的相对丰度（nosZ/16S）却高于稻田土壤，表明真菌可能影响了反硝化细菌群落。 (2)上述研究中，我们发现菜地土壤的总N2O排放量低于稻田土壤，这与以往的田间实验结果相反，我们认为这主要是因为室内培养实验中忽视了根系分泌物的影响。为初步探究根系分泌物对土壤N2O排放的影响，采用室内培养的方法，以甲酸盐和葡萄糖为外加碳源(0，0.5，1μmol C g-1)，测定了其对菜地和稻田土壤N2O排放的影响。结果表明，无外加碳源情况下，菜地土壤的N2O-N（2.65～2.69μg·kg-1）排放量显著小于稻田土壤（6.19～11.79μg·kg-1）;添加葡萄糖的情况下，菜地土壤的N2O-N（2.47～3.44μg·kg-1）排放量也显著小于稻田土壤（9.55～13.34μg·kg-1）;但在甲酸盐(1μmol C g-1)的刺激下菜地土壤N2O-N排放量（54.86μg·kg-1）显著高于稻田土壤（42.40μg·kg-1）;增加施氮量并没有显著增加土壤中N2O排放。荧光定量PCR结果表明，稻田土壤微生物拷贝数（包括真菌，细菌，反硝化细菌）是菜地的3～8倍。进一步通过高通量测序分析，发现，反硝化真菌在菜地中的相对丰度(53.8％)，远远高于其在稻田土壤中的丰度(6.6％)。有报道指出，反硝化真菌能够有效的利用甲酸盐产生N2O，我们的研究也发现有机小分子的微量添加可以显著刺激土壤N2O排放;甲酸盐添加下的菜地土壤中，大量反硝化真菌很可能是N2O的主要贡献者。 (3)与反硝化细菌相比，反硝化真菌的最大的不同点在于缺少N2O的还原酶，因此理论上，土壤N2O的还原能力受真菌/细菌相对比率的影响。为探究控制N2O还原的主导因素，我们选取了不同耕作模式的土壤，利用乙炔抑制剂法测定了不同土壤中N2O/(N2O+N2)的产物比率(RN2O)，并通过荧光定量PCR研究了土壤中真菌/细菌的相对丰度比率(RF/B)。研究结果表明，土壤中RN2O与土壤pH显著负相关(p＜O.001)，与土壤NO3-含量(p＜0.01)和土壤RF/B显著正相关(p＜0.05)。主成分分析和逐步回归分析表明土壤pH和土壤NO3-含量是土壤N2O还原的主导因素，而当土壤的pH发生短期改变后，土壤NO3-含量可以解释土壤中RN2O83％的变异(p＜O.001)。当减弱土壤pH和NO3-影响后，我们发现RF/B不仅可以直接影响N2O的还原，也可以通过间接影响土壤反硝化细菌的相对含量来影响土壤中N2O的还原。 (4)为了完善对真菌反硝化研究，我们尝试利用N2O同位素异位体来测定反硝化真菌对N2O排放的贡献和评估抑制剂法的效果。结果表明，外加葡萄糖时，真菌对对总N2O排放的贡献率在稻田土壤、果园土壤和菜地土壤中分别是0.83％～4.28％，13.80％～23.21％，和15.34％～65.94％;当外加葡萄糖变为等量甲酸盐时，真菌的贡献率在菜地中提高约34％，在稻田中提高了约4％。细菌抑制剂（链霉素）添加实验表明，虽然反硝化细菌受到了明显的抑制(32.8％～42.8％)，但反硝化真菌的产生的N2O在菜地中减少15.8％，在稻田土壤中却增加了273％。本研究说明，环境中真菌对N2O排放有着显著的贡献，不同的有机质影响着真菌作用的发挥取决于添加有机质的种类，这与前面的研究结果一致;此外，与文献中使用抑制剂法测定结果相比，抑制剂法可能会高估真菌的贡献率，未来研究中有必要借助N2O同位素异位体，来选择合适的抑制剂和剂量。