真菌对土壤N2O释放的贡献及其研究方法

N₂O是一种重要的温室气体,而土壤作为N₂O的重要来源之一,其N₂O主要产生于硝化和反硝化作用的生物过程.研究表明细菌和古菌是这些生物过程的主要参与者,然而在特定土壤生态系统中,真菌在N循环过程中起主要作用.但真菌对土壤N₂O释放贡献的研究报道甚少.本文阐述了土壤真菌N₂O产生机制的研究进展,介绍了自养硝化、异养硝化和反硝化过程的发生机理、关键微生物和功能基因.详细介绍了与真菌有关的N₂O产生过程,真菌的异养硝化作用和反硝化作用,并且比较了真菌和细菌反硝化系统的差异.此外,本文重点总结了研究土壤真菌N₂O产生的主要方法,包括选择抑制剂法、^15N标记、分离和纯培养以及免培养的分子生态学方法,对各种方法的优势和弊端进行了探讨,并对今后的研究工作提出了展望.     

不同灌溉量对华北平原菜地N2O排放及其来源的影响

以华北平原菜地为研究对象,通过控制灌溉量设置不同的土壤水分对照,利用稳定同位素¹⁵N自然丰度法,结合传统的乙炔抑制试验,对不同土壤水分条件下的N₂O排放、N₂O同位素特征值以及同位素异位体位嗜值(SP值)变化规律进行分析,以阐明不同水分条件下N₂O的排放规律及其来源.结果表明:水分条件显著影响N₂O排放,相比于50%土壤孔隙含水率(WFPS),70%WFPS的水分条件下N₂O的排放较高.N₂O的排放集中在施肥前期,在施肥中后期迅速减弱.50%WFPS条件下,N₂O的排放最初以硝化作用为主,占比约为90%,随后硝化作用迅速下降,反硝化变成主导作用,施肥7 d后即达到80%以上;而70%WFPS条件下初期则以反硝化为主,占比约为70%,随后下降至40%左右,施肥10 d后逐渐升高至80%.整体上,N₂O的排放主要以反硝化作用为主,不同水分处理对土壤硝化、反硝化作用的影响主要体现在施肥前期,后期均以反硝化为主.综上,建议华北地区的菜地生产应适当降低灌溉量,以减少N₂O排放.     

土壤含水量与N2O产生途径研究

土壤含水量变化对N₂O产生和排放影响的研究表明,不同含水量情况下,N₂O排放也不相同。特别是用乙炔抑制技术证明了在播种前后,气候干燥而土壤含水量较低的情况下,N₂O产生主要来自于硝化过程;降雨后,土壤含水量较高时,N₂O主要是通过反硝化过程产生;而在农田中等含水量情况下,土壤微生物的硝化和反硝化作用产生的N₂O大约各占一半。指出旱作农田N₂O产生途径主要取决于土壤水分的控制和调节。     

黄河口不同恢复阶段湿地土壤N2O产生过程对氮输入的响应

以黄河口生态恢复前后未恢复区(R₀)、2007年恢复区(R₂₀₀₇)和2002年恢复区(R₂₀₀₂)的芦苇湿地为研究对象,研究了不同形态氮输入对湿地土壤N₂O产生过程的影响与贡献.结果表明: 硝态氮(NO₃^--N)输入对恢复区湿地土壤N₂O总产生量的影响远远大于铵态氮(NH₄⁺-N),但两者均抑制了R₀土壤的N₂O总产生量.尽管NO₃^--N输入对R₂₀₀₂表层土壤N₂O总产生量的影响明显大于R₂₀₀₇,但二者的N₂O产生量均随氮输入量的增加而增加.恢复区湿地土壤的反硝化作用和硝化细菌反硝化作用受NO₃^--N输入的影响明显,而R₀土壤产生N₂O的生物过程受其影响并不显著.尽管NH₄⁺-N输入对湿地土壤N₂O的总产生量影响不大,但其输入整体促进了R₀ 土壤的硝化细菌反硝化作用、R₂₀₀₇土壤的硝化作用和R₂₀₀₂土壤的非生物作用.比较而言,NO₃^--N输入对R₀、R₂₀₀₇和R₂₀₀₂湿地土壤N₂O产生的非生物作用主要表现为抑制,NH₄⁺-N输入则整体提高了R₀和R₂₀₀₂湿地土壤非生物作用的N₂O产生量,这与不同形态氮输入对土壤pH的调节作用密切相关.研究发现,NO₃^--N输入大大增加了湿地土壤的N₂O总产生量,改变了原有湿地土壤生物作用和非生物作用的贡献模式,故生态恢复工程导致的营养盐输入(NO₃^--N)应受到特别关注.     

温带草甸草原土壤N2O产生过程研究

以大量的室内模拟培养实验,以内蒙古温带草甸草原土壤为研究对象,利用AIM乙炔抑制法,模拟野外条件对原样土壤样品进行N₂O产生过程进行研究。实验结果表明:内蒙古温带草甸草原土壤N₂O产生过程以硝化作用为主。其中异养硝化作用起主导作用,自养硝化潜势和反硝化潜势在草原植物不同生长季节变化不同,总体上异养硝化潜势>自养硝化潜势>反硝化潜势。由于自养硝化作用在不同季节的发生,使得草甸草原土壤N₂O的产生潜势也高、低起伏变化。从而揭示了内蒙古温带草原土壤以异养硝化作用过程为主产生N₂O和N₂O排放通量较低的微生物学机理。     

基于BP神经网络模型的全球森林土壤异养硝化过程N2O排放通量估算

N₂O作为重要的温室气体之一,对地球和人类都有很大的影响。为了深入探究对有机氮异养硝化作用及其产生N₂O过程的影响机制,完善全球N₂O通量估算模型,本研究采用Pearson相关性分析与广义可加模型(GAM)对全球135个样点有机氮异养硝化速率及其产生N₂O速率的影响因子进行分析,然后将主要影响因子作为BP神经网络的输入层来模拟全球森林土壤有机氮异养硝化速率及其产生N₂O速率的空间分布。结果显示,土壤pH和土壤C/N是影响有机氮异养硝化速率的主要因素,土壤C/N、土壤孔隙含水量(WFPS)以及土壤温度是影响有机氮异养硝化产生N₂O速率的主要因素。全球森林土壤异养硝化速率平均为0.4241(0.0014～0.689)μg N·g^-1·d^-1,异养硝化产生N₂O速率平均为0.2936(0.21～1.103)μg N₂O·kg^-1·d^-1     

增温和隔离降雨对亚热带森林土壤N2O通量的影响

设置对照(CT)、增温5 ℃(W)、隔离50%降雨(P)和增温5 ℃+隔离50%降雨(WP)4种处理,以相关功能基因作为标志物,研究增温和隔离降雨影响亚热带森林生态系统土壤N₂O通量变化的途径.结果表明: 隔离降雨显著降低了土壤铵态氮浓度;增温显著降低了土壤N₂O通量和土壤反硝化势.增温处理(W)和降雨处理(P)的土壤微生物生物量氮(MBN)均显著低于对照(CT),AOA amoA基因丰度与MBN和铵态氮含量之间呈显著负相关,但与土壤硝化势和土壤N₂O通量没有显著相关性.路径分析显示,反硝化势直接显著影响土壤N₂O通量,而微生物生物量磷(MBP)和增温则通过直接影响反硝化势来间接影响土壤N₂O通量.温度可能是影响亚热带森林土壤N₂O通量的主要驱动因素,全球变暖可能会减少亚热带森林土壤的N₂O排放.     

我国北方几种玉米和设施菜地土壤的N2O和N2排放特征

为了探究旱地土壤施入氮肥后的气态氮(N₂O和N₂)损失规律,本研究通过室内好氧培养试验(60 d,25 ℃,80%孔隙含水量),运用¹⁵N同位素示踪技术,研究了4个玉米地土壤(哈尔滨、沈阳、栾城、寿光)和2个设施菜地土壤(沈阳、寿光)在施入尿素后的氮转化、N₂O和N₂排放动态。试验中尿素添加量为167 mg N·kg^-1,以模拟田间氮肥施用量200 kg N·hm^-2。结果表明: 在4个玉米地土壤中,尿素施用60 d内N₂O累积排放量为寿光(20 mg N·kg^-1)>栾城(14 mg N·kg^-1)>沈阳(5 mg N·kg^-1)>哈尔滨(0.5 mg N·kg^-1),N₂累积排放量为栾城(176 mg N·kg^-1)>沈阳(106 mg N·kg^-1)>寿光(75 mg N·kg^-1)>哈尔滨(12 mg N·kg^-1);在2个设施菜地土壤中,寿光土壤N₂O累积排放量(21 mg N·kg^-1)是沈阳(2 mg N·kg^-1)的10倍,而两个站点N₂累积排放量分别为28和24 mg N·kg^-1。不同土壤N₂O排放占两种气体排放总量的5%～40%,其中寿光土壤(30%～40%)显著高于其他样地土壤(1%～10%)。在土壤排放的N₂O和N₂中,土壤氮库分别贡献了56%和61%,高于添加当季氮肥的贡献率。相关分析表明,N₂O累积排放量与本底土壤pH呈正相关,说明土壤本底pH可能是调控不同旱地土壤N₂O和N₂排放的重要环境因子。在华北碱性土壤区,采用能降低土壤pH值的措施可能具有较好的气态氮减排效果。     

长效碳酸氢铵对土壤硝化-反硝化过程和NO与N2O排放的影响

室内实验(25℃和50%WFPS)比较研究了碳酸氢铵(普碳)和长效碳酸氢铵(长碳)对粘质土壤(粘土)和壤质土壤(壤土)硝化反硝化过程和NO与N₂O排放的影响.长碳中的DCD在粘土中的硝化抑制作用很弱,在壤土中显著,与普碳处理相比,NH₄⁺持续时间分别延长7d和33d.15d内,施普碳(100μgN·g^-1)情况下,粘土和壤土NO排放量分别占施N量的0.60%和1.06%,分别是相应土壤N₂O排放量的30和12倍.施长碳后,粘土和壤土NO排放量分别减少67%和95%,N₂O排放量分别减少64%和55%.有氧培养39d后,外加硝酸盐(200μgKNO₃-N·g^-1),接着淹水厌氧培养7d,壤土长碳处理较普碳处理反硝化总损失减少50%,但N₂O排放量增加113%.     

不同灌溉量对华北平原菜地N2O排放及其来源的影响

以华北平原菜地为研究对象,通过控制灌溉量设置不同的土壤水分对照,利用稳定同位素¹⁵N自然丰度法,结合传统的乙炔抑制试验,对不同土壤水分条件下的N₂O排放、N₂O同位素特征值以及同位素异位体位嗜值(SP值)变化规律进行分析,以阐明不同水分条件下N₂O的排放规律及其来源.结果表明:水分条件显著影响N₂O排放,相比于50%土壤孔隙含水率(WFPS),70%WFPS的水分条件下N₂O的排放较高.N₂O的排放集中在施肥前期,在施肥中后期迅速减弱.50%WFPS条件下,N₂O的排放最初以硝化作用为主,占比约为90%,随后硝化作用迅速下降,反硝化变成主导作用,施肥7 d后即达到80%以上;而70%WFPS条件下初期则以反硝化为主,占比约为70%,随后下降至40%左右,施肥10 d后逐渐升高至80%.整体上,N₂O的排放主要以反硝化作用为主,不同水分处理对土壤硝化、反硝化作用的影响主要体现在施肥前期,后期均以反硝化为主.综上,建议华北地区的菜地生产应适当降低灌溉量,以减少N₂O排放.     

加气灌溉对不同施氮水平的设施甜瓜土壤CO2和N2O排放的影响

为探讨不同加气灌溉施氮模式下设施甜瓜土壤CO₂和N₂O排放的动态变化规律及其与土壤温度、湿度的关系,本研究采用密闭静态箱-气相色谱法对加气灌溉不同施氮水平下土壤CO₂和N₂O排放进行监测,并分析了加气灌溉对不同施氮量下土壤CO₂和N₂O排放的影响.试验采用加气灌溉(AI)和不加气灌溉(CK)两种灌溉方式,施氮量设不施氮(N₁)、传统施氮量的2/3(150 kg·hm^-2,N₂)和传统施氮量(225 kg·hm^-2,N₃)3个施氮水平.结果表明:加气灌溉土壤CO₂和N₂O排放量高于不加气灌溉处理,但是差异不显著;相同灌溉模式下,CO₂和N₂O排放量随施氮量的增加而显著增加,施氮量是土壤CO₂和N₂O排放的主要影响因素.加气灌溉条件下,不同施氮处理N₂O排放通量与土壤温度和湿度呈显著正相关,CO₂排放通量与土壤温度呈显著正相关.加气减氮处理在氮肥减少1/3的情况下,甜瓜产量提高了6.9%,温室气体排放引起的增温潜势值从9544.82 kg·hm^-2下降到9340.72 kg·hm^-2.综上,通过加气灌溉减少氮肥施用量来抑制农业生产系统中温室气体排放是可行的.     

加气灌溉对不同施氮水平的设施甜瓜土壤CO2和N2O排放的影响

为探讨不同加气灌溉施氮模式下设施甜瓜土壤CO₂和N₂O排放的动态变化规律及其与土壤温度、湿度的关系,本研究采用密闭静态箱-气相色谱法对加气灌溉不同施氮水平下土壤CO₂和N₂O排放进行监测,并分析了加气灌溉对不同施氮量下土壤CO₂和N₂O排放的影响.试验采用加气灌溉(AI)和不加气灌溉(CK)两种灌溉方式,施氮量设不施氮(N₁)、传统施氮量的2/3(150 kg·hm^-2,N₂)和传统施氮量(225 kg·hm^-2,N₃)3个施氮水平.结果表明:加气灌溉土壤CO₂和N₂O排放量高于不加气灌溉处理,但是差异不显著;相同灌溉模式下,CO₂和N₂O排放量随施氮量的增加而显著增加,施氮量是土壤CO₂和N₂O排放的主要影响因素.加气灌溉条件下,不同施氮处理N₂O排放通量与土壤温度和湿度呈显著正相关,CO₂排放通量与土壤温度呈显著正相关.加气减氮处理在氮肥减少1/3的情况下,甜瓜产量提高了6.9%,温室气体排放引起的增温潜势值从9544.82 kg·hm^-2下降到9340.72 kg·hm^-2.综上,通过加气灌溉减少氮肥施用量来抑制农业生产系统中温室气体排放是可行的.     

水分对林地和草地土壤氮初级转化速率的影响

水分含量是与土壤氮转化相关微生物活性的重要影响因素。本研究以黑龙江省北安市的草地和林地土壤为对象,通过室内培养试验,利用¹⁵N同位素标记技术和FLUAZ数值优化模型研究60%和100%田间持水量(WHC)条件下土壤氮初级矿化速率、初级固定速率、初级硝化速率和初级反硝化速率,以探讨土壤氮初级转化速率对水分含量变化的响应,阐明不同水分条件下土壤中氮的产生、消耗、保存机制及其生态环境效应。结果表明: 土壤水分变化不影响草地和林地土壤氮初级矿化速率和铵态氮固定速率,水分含量由60% WHC增加至100% WHC后显著增加了林地土壤的初级硝化速率,但对草地土壤的初级硝化速率没有显著影响。60% WHC条件下草地和林地土壤的初级反硝化速率可以忽略不计,水分含量增加至100% WHC后土壤初级反硝化速率显著提高,且草地土壤的初级反硝化速率显著低于林地土壤。100% WHC条件下林地土壤初级硝化速率与铵态氮固定速率比值(gn/ia)和N₂O排放量均显著高于60% WHC;100% WHC条件下草地土壤的N₂O排放量显著高于60% WHC,但两个水分条件下的gn/ia值无显著差异。表明短期内水分含量的增加可能会增加草地和林地土壤氮转化的负面环境效应,且对林地土壤的影响尤为显著。     

稻麦轮作生态系统中土壤湿度对N2O产生与排放的影响

通过对太湖地区稻麦轮作生态系统的N₂O排放及土壤湿度进行系统观测和开展一系列模拟实验,研究了降雨和土壤湿度对N₂O排放和产生过程的影响.结果表明,春季和秋季麦田N₂O排放与降雨量呈明显正相关,但水稻田和冬季麦田的N₂O排放不受降雨影响.稻麦轮作周期内的N₂O排放较强烈地受土壤湿度制约,土壤湿度为田间持水量的97～100%或84～86%WFPS(土壤体积含水量与总孔隙度的百分比)时,N₂O排放最强,低于此湿度范围时,N₂O排放通量与土壤湿度呈正相关,反之,则呈负相关.田间N₂O排放随土壤湿度的变化形式与模拟条件下培养土壤样品的N₂O产生率变化非常相似,但前者的最佳湿度范围比后者窄,而且偏小.