土壤中反硝化酶活性变化与N2O排放的关系

研究施肥条件下,土壤反硝化酶活性硝酸还原酶(NR)活性、亚硝酸还原酶(NiR)活性及羟胺还原酶(HyR)活性在玉米生长季节中的变化及其与土壤含水量、硝态氮含量、N₂O排放之间的关系。结果表明,3种还原酶都有明显的季节变化规律并受土壤水分含量及施肥的影响。通过研究3种反硝化酶活性与土壤含水量及N₂O排放量之间的关系后指出,反硝化酶活性变化可作为一个区分旱田N₂O产生途径的指标.     

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。     

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.     

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.     

土壤水分对土壤产生气态氮的厌氧微生物过程的影响

气态氮[一氧化氮(NO)、氧化亚氮(N₂O)和氮气(N₂)]的释放是土壤氮损失的一种重要途径。硝化和反硝化作用是土壤气态氮损失的主要微生物过程,但是异养硝化作用、共反硝化作用和厌氧氨氧化过程对土壤气态氮损失的贡献尚不清楚。本研究利用¹⁵N标记和配对法,结合硝化抑制剂双氰胺(DCD),通过土壤培养试验来量化厌氧条件下各种微生物过程对NO、N₂O和N₂产生的贡献。结果表明: 在厌氧条件下培养24 h后,土壤孔隙含水率为65%时,3种气体总的¹⁵N回收率最高,占加入¹⁵N总量的20.0%。反硝化过程对NO、N₂O和N₂产生的贡献率分别为49.9%～94.1%、29.0%～84.7%和58.2%～85.8%,是产生3种气体的主要过程。异养硝化过程也是产生NO和N₂O的重要过程,特别是在土壤孔隙含水率很低时(10%)对两种气体产生的贡献率分别为50.1%和42.8%。,共反硝化过程对N₂O产生的贡献率为10.6%～30.7%,共反硝化和厌氧氨氧化过程对N₂产生的总贡献率为14.2%～41.8%,表明共反硝化过程在N₂O和N₂产生中的作用不可忽视。¹⁵N标记和配对法是区分气态氮损失的各种微生物过程的有效手段。     

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.     

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.     

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。     

稻田CH4和N2O排放关系及其微生物学机理和一些影响因子

用静态箱法原位观测和分析了我国北方稻田3～12月CH₄和N₂O的排放及其关系,并研究了这一关系发生的微生物学机理.同时,监测了土壤湿度、pH、水分及Eh的变化.结果表明,稻田CH₄和N₂O排放之间存在着互为消长的关系(R²=0.0494).土壤湿度、pH及Eh变化范围分别在0～24℃、6.87～7.02和415～300mv之间,水分从非淹水期的38～72%FC至5～10cm浅水淹灌.土壤Eh对CH₄和N₂O的释放起重要的调控作用.在整个观测期内,与CH₄和N₂O释放密切相关的6种菌群(发酵细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌、甲烷氧化菌、硝化细菌、反硝化细菌)各有其数量消长及酶活性变化规律,稻田CH₄和N₂O排放之间互为消长的关系受这些相关微生物数量及酶活性变化的共同调控.     

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     

过量施肥对设施菜田土壤菌群结构及N2O产生的影响

【背景】N_2O是一种很强的温室气体,其温室效应强度大约是CO_2的265倍。土壤氮肥施加量是影响N_2O排放的重要因素,而厌氧条件下微生物反硝化则是N_2O产生的重要途径。【目的】研究过量施肥条件下蔬菜大棚土壤菌群结构变化及其对N_2O气体排放的影响。【方法】利用自动化培养与实时气体检测系统(Robot)监测土壤厌氧培养过程中N_2O和N_2排放通量,比较过量施肥和减氮施肥模式下土壤N_2O排放模式的差异。通过Illumina二代测序平台对这2种不同施肥处理的土壤微生物群落进行高通量测序,研究不同施肥量对土壤菌群组成的影响。【结果】过量施肥土壤中硝酸盐的含量大约是减氮施肥土壤的2倍,通过添加硝酸盐使2种土壤的硝酸盐含量均为60 mg/kg或为200 mg/kg时,过量施肥土壤在厌氧培养前期N_2O气体的产生量及产生速度都明显高于减氮施肥土壤。另外,过量施肥导致土壤菌群结构发生显著改变,并且降低了土壤微生物的多样性。相对于减氮施肥,过量施肥方式富集了Rhodanobacter属的微生物。PICRUSt预测结果显示,传统施肥没有显著改变反硝化功能基因相对丰度。【结论】长期过量氮肥施用显著增加了土壤N_2O的排放,可能原因是施肥改变了包括氮转化相关微生物在内的土壤菌群组成,从而影响了土壤N_2O气体的形成与还原过程。     

氢醌和双氰胺对种稻土壤N2O和CH4排放的影响

通过盆栽试验,研究了脲酶抑制剂氢醌（ＨＱ）、硝化抑制剂双氰胺（ＤＣＤ）及二者的组合（ＨＱ＋ＤＣＤ）对种稻土壤Ｎ２Ｏ和ＣＨ４排放的影响．结果表明,在未施麦秸粉时,所有施抑制剂的处理均较单施尿素的能显著减少水稻生长期供试土壤Ｎ２Ｏ和ＣＨ４的排放．特别是ＨＱ＋ＤＣＤ处理,其Ｎ２Ｏ和ＣＨ４排放总量分别约为对照的１／３和１／２．而在施麦秸粉后,该处理的Ｎ２Ｏ排放总量为对照的１／２,但ＣＨ４排放总量却较少差别．不论是Ｎ２Ｏ还是ＣＨ４的排放总量,施麦秸粉的都比未施的高出１倍和更多．因此,单从土壤源温室气体排放的角度看,将未腐熟的有机物料与尿素共施,并不是一种适宜的施肥制度．供试土壤的Ｎ２Ｏ排放通量,与水稻植株的ＮＯ－３Ｎ含量和土表水层中的矿质Ｎ量分别呈显著的指数正相关和线性正相关;ＣＨ４的排放通量则与水稻植株的生长量和土表水层中的矿质Ｎ量呈显著的线性负相关．在Ｎ２Ｏ与ＣＨ４的排放间,未施麦秸粉时存在着定量的相互消长关系;施麦秸粉后,虽同样存在所述关系,但难以定量化．     

Structure and activity of the denitrifying community in a maize-cropped field fertilized with composted pig manure or ammonium nitrate

One alternative to mineral fertilization is to use organic fertilizers. Our aim was to compare the impacts of 7-year applications of composted pig manure and ammonium nitrate on the structure and activity of the denitrifying community. Mineralization and organization of N, denitrification rates and N2O/N2 ratio were also investigated. Fourteen months after the last application, the potential denitrifying activity (+319%), N mineralization (+110%) and organization (+112%) were higher under pig compost than under ammonium nitrate fertilization. On the other hand, the N2O/(N2O+N2) ratio was lower (P<0.05, n=5) under organic fertilization. These effects of organic fertilization were in accordance with its higher total carbon content and microbial biomass. Fingerprints and clone library analyses showed that the structure of the denitrifying community was affected by the fertilization regime. Our results reveal that organic or mineral fertilizer applications could affect both structure and activity of the denitrifying community, with a possible influence on in situ N2O fluxes. These effects of the fertilization regime persisted for at least 14 months after the last application.     

紫色土菜地生态系统土壤N2O排放及其主要影响因素

应用静态箱/气相色谱法对种菜历史超过20a的紫色土菜地进行了一年N2O排放的定位观测, 分析了菜地N2O排放特征及施氮、土壤温度、土壤湿度和蔬菜参与对N2O排放的影响. 结果表明, 紫色土菜地生态系统在不施氮和施氮（N150kg?hm-2）情况下N2O平均排放通量为50.713.3和168.437.3g?m-2?h-1, N2O排放系数为1.86%. 菜地生态系统N2O排放强度高于当地粮食作物农田,其主要原因在于菜地较高的养分水平和频繁的施肥、浇水等田间管理措施. 从菜地N2O排放总量的季节分配来看, 有64%的N2O排放量来自于土壤水热条件较好的夏秋季蔬菜生长期, 冬春季蔬菜生长期N2O排放量较少, 仅占34%. 因此, 土壤水热条件不同是造成菜地N2O排放量季节分配差异的重要原因. 氮肥对增加N2O排放的效应因蔬菜生育期内单位时间施肥强度不同而异, 蔬菜生育期越短, 施氮对增加N2O排放的效应越明显.不施氮和常规施氮菜地N2O排放通量与地下5cm处土壤温度呈显著的正相关, 但不种蔬菜的空地两者之间的关系不显著, 并且常规施氮菜地土壤温度（T）对N2O排放通量（F）的影响可用指数方程F＝11.465e0.032T（R＝0.26, p<0.01）表示. 土壤湿度对菜地N2O排放的影响存在阈值效应, 当土壤含水空隙率（WFPS）介于60%-75％时更易引发N2O高排放. 因此, 依据蔬菜生育期特点, 结合土壤水分状况调节施肥量与施肥时间可能会减少菜地N2O排放.     

施氮对水稻土N2O释放及反硝化功能基因(narG/nosZ)丰度的影响

以紫潮泥和红黄泥两种不同质地的水稻土壤作为研究对象,通过室内培养试验,分析施用硝态氮肥对N2O释放和反硝化基因(narG/nosZ)丰度的影响,并探讨反硝化基因丰度与N2O释放之间的关系。结果表明,施用硝态氮显著增加两种水稻土的N2O释放量。在72h培养过程中,施氮改变了紫潮泥反硝化基因(narG/nosZ)的丰度,但并未明显影响红黄泥反硝化基因(narG/nosZ)丰度。通过双变量相关分析发现,除了紫潮泥narG基因外,其它的反硝化基因丰度和N2O释放之间并没有显著相关性。     

长期施肥对华北典型潮土N分配和N2O排放的影响

利用长期定位肥料试验研究化学肥料N、有机肥料N以及化学肥料N和有机肥料N混合施用对N分配和N2O排放影响。处理包括化学肥料N、P、K的不同组合NPK、NP、NK、PK、全部施用有机肥料N（OM）、一半化学肥料N＋一半有机肥料N（1／2OM）及不施肥（CK）7个处理。结果表明,等N条件下,处理间N2O排放的差异不显著,N2O排放主要发生在玉米生长期。均衡提供N、P和K显著提高土壤N储量,有机肥料N的效果显著高于化学N肥。施肥也影响N的利用效率和N在作物中的分配。均衡的养分供应有利于N在子粒中积累,而养分缺乏的处理,秸秆中N含量相对较高。进入环境的N量以NK最多,1／20M最少。总体而言,施P肥和有机肥可减少N2O的间接排放,提高土壤N素肥力并能获得较高的产量。     

不同施肥方式对土壤氨挥发和氧化亚氮排放的影响

采用密闭室间歇通气法和静态箱法对不同施肥方式(撒施后翻耕、条施后覆土、撒施后灌水)下的土壤氨挥发和氧化亚氮排放进行了研究.结果表明:不同施肥方式显著影响了土壤中的氨挥发和氧化亚氮排放.撒施后灌水处理明显促进了氨挥发,其最大氨挥发速率明显高于其它处理,氨挥发累计达2.465 kg N·hm-2.不同施肥方式下氧化亚氮排放通量存在显著差异(P《0.05),且峰值出现时间也不同.施肥后第2天,撒施后灌水处理达到峰值,为193.66 μg·m-2·h-1,而条施后覆土处理在施肥后第5天才出现峰值,为51.13 μg·m-2·h-1,且其排放峰值在3种施肥方式中最低.撒施后灌水处理的氧化亚氮累积净排放量达121.55 g N·hm-2,显著大于撒施后翻耕和条施后覆土处理.撒施后翻耕和条施后覆土处理能有效抑制氨挥发和氧化亚氮排放损失,是较为合理的施肥方式.     

Loss of N2O reductase activity as an explanation for poor growth of Pseudomonas aeruginosa on N2O

N2O uptake activity of cells and N2O reductase activity of the soluble fraction from denitrifying bacteria were assayed. Pseudomonas aeruginosa strains PAO1 and P1 lost most of their N2O uptake activity and the ability to grow well on N2O within 2 to 5 h after exposure to N2O. Extensive loss of N2O reductase activity accompanied the nearly complete loss of N2O uptake activity under N2O. Paracoccus denitrificans retained much, but not all, of both activities and the ability to grow vigorously on N2O. The pattern with P. aeruginosa strain P2 resembled that for PAO1 and P1 except that loss of the activities proceeded at a slower rate and growth could continue for up to 12 h after exposure to N2O. The inability of a number of P. aeruginosa strains to grow well on N2O is therefore a direct consequence of the nearly complete loss of N2O reductase activity. Turnover-dependent inactivation of N2O reductase and its reactivation under reducing conditions occurred in vitro for the enzyme from P. aeruginosa and Paracoccus denitrificans. These events may be significant in determining the activity level of N2O reductase in denitrifying bacteria during N2O respiration.     

Loss of N2O reductase activity as an explanation for poor growth of Pseudomonas aeruginosa on N2O.

N2O uptake activity of cells and N2O reductase activity of the soluble fraction from denitrifying bacteria were assayed. Pseudomonas aeruginosa strains PAO1 and P1 lost most of their N2O uptake activity and the ability to grow well on N2O within 2 to 5 h after exposure to N2O. Extensive loss of N2O reductase activity accompanied the nearly complete loss of N2O uptake activity under N2O. Paracoccus denitrificans retained much, but not all, of both activities and the ability to grow vigorously on N2O. The pattern with P. aeruginosa strain P2 resembled that for PAO1 and P1 except that loss of the activities proceeded at a slower rate and growth could continue for up to 12 h after exposure to N2O. The inability of a number of P. aeruginosa strains to grow well on N2O is therefore a direct consequence of the nearly complete loss of N2O reductase activity. Turnover-dependent inactivation of N2O reductase and its reactivation under reducing conditions occurred in vitro for the enzyme from P. aeruginosa and Paracoccus denitrificans. These events may be significant in determining the activity level of N2O reductase in denitrifying bacteria during N2O respiration.