促進(jìn)南方紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究
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系統(tǒng)解析驅(qū)動(dòng)稻田?N2O?和?CH4排放關(guān)鍵過(guò)程的微生物作用機(jī)理，為我國(guó)農(nóng)田溫室氣體減排提供重要的科學(xué)依據(jù)。
由產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌參與的?CH4產(chǎn)生和氧化過(guò)程在很大程度上決定了土壤?CH4排放量；而反硝化作用作為氮循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是由土壤中具有反硝化能力的微生物所調(diào)控的生物化學(xué)過(guò)程，也是溫室氣體?N2O?排放的主要途徑之一。因此，了解CH4和?N2O?產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化過(guò)程的微生物作用機(jī)理對(duì)于今后的合理施肥以及控制溫室氣體排放起著至關(guān)重要的作用。
中期曬田（落干）是稻田管理過(guò)程中重要的農(nóng)藝措施，稻田淹水-落干過(guò)程排放大量?N2O，水稻土含水量為?80%?土壤孔隙含水量（water-filled pore space，WFPS）時(shí)?N2O?釋放量最大，含水量在?60% WFPS?時(shí)細(xì)菌比真菌對(duì)?N2O?排放的貢獻(xiàn)要大。接著采用典型水稻土進(jìn)行了淹水-落干和干濕交替過(guò)程的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淹水-落干過(guò)程中氧化還原電位（electric potential，Eh）的變化與?N2O?釋放動(dòng)態(tài)顯著相關(guān)明確了氧化還原點(diǎn)位是調(diào)控?N2O?排放的主導(dǎo)因子。淹水-落干過(guò)程中?N2O?的釋放量主要是細(xì)菌作用產(chǎn)生，真菌的貢獻(xiàn)只占?10%?左右。narG?基因豐度和組成與土壤?Eh?和?N2O?排放速率間呈顯著相關(guān)，而?nosZ?基因沒(méi)有這種相關(guān)性。這表明水稻土淹水-落干過(guò)程中含?narG?基因的微生物種群組成和數(shù)量是驅(qū)動(dòng)?N2O?排放的關(guān)鍵反硝化微生物種群，而含?nosZ?基因的微生物種群與?N2O?排放動(dòng)態(tài)并無(wú)直接關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)設(shè)計(jì)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了典型水稻土淹水-落干過(guò)程中?N2O?產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化與釋放的關(guān)鍵微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制。結(jié)果表明，在水稻土落干過(guò)程中?0—3?cm土層是?N2O?排放的主要來(lái)源，落干過(guò)程中的硝化微生物與反硝化微生物的協(xié)同作用是導(dǎo)致表土層產(chǎn)生和釋放大量?N2O?的關(guān)鍵微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
在淹水-落干過(guò)程中水稻根系生長(zhǎng)顯著提高了根際區(qū)域?N2O?排放速率，而在?N2O?排放過(guò)程中水稻根際區(qū)域土壤氨氧化細(xì)菌和含?narG?的硝酸還原菌的數(shù)量顯著增加。這說(shuō)明落干過(guò)程中根際土壤比非根際土壤能釋放更多的?N2O?可能是由于根系生長(zhǎng)導(dǎo)致了根際區(qū)域有更強(qiáng)硝化和反硝化微生物協(xié)同作用的結(jié)果。通過(guò)功能基因的高通量測(cè)序分析進(jìn)一步證實(shí)，根際土壤的β-變形菌綱（Betaproteobacteria）等反硝化種群豐度顯著高于非根際土壤，且不同水分條件和不同采樣時(shí)期均表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。這說(shuō)明水稻根際環(huán)境可能會(huì)刺激這些反硝化細(xì)菌的活性，從而增加土壤?N2O?釋放潛勢(shì)。
磷肥施用促進(jìn)土壤?CH4排放，而氮肥顯著提高了土壤?N2O?排放。稻草還田處理會(huì)增加土壤?CH4和?N2O?排放。施肥顯著改變了土壤?CH4和?N2O產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化相關(guān)關(guān)鍵功能微生物種群結(jié)構(gòu)、豐度（DNA?水平）和表達(dá)種群結(jié)構(gòu)及豐度（mRNA?水平），尤其是其表達(dá)結(jié)構(gòu)，對(duì)施肥響應(yīng)更加敏感。不同施肥制度影響土壤?CH4和?N2O?產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化可能主要是通過(guò)改變相關(guān)功能微生物的表達(dá)特征調(diào)節(jié)土壤?CH4和?N2O?的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化，從而控制土壤?CH4和?N2O?的排放量。