水稻根际氮转化特征及微生物生态研究

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应。此外，根系活跃的有机碳组分也
是甲烷排放的重要碳源。
氨氧化细菌 反硝化细菌 产甲烷菌和甲烷氧化菌
（1）水稻生长后期氨氧化、反硝化、产甲烷微生物丰度高于生长前期，但是甲 烷氧化菌却无这种变化。 （2）氨氧化古菌是水稻土氨氧化的主要微生物，水稻生育前期外源氮肥的添加 显著性降低了水稻根际氨氧化菌丰度，但后期没有影响。 （3）水稻生育前期根际与非根际反硝化微生物数量差异较小，氮肥对水稻根际 与非根际反硝化微生物数量影响较小。 （4）根际产甲烷菌高于非根际，外源氮肥对根际甲烷氧化菌丰度表现为先抑制 后提高。
水稻根际氮转化特征及微生物生态研 究
目录
研 究 背 景
研 究 意 义
技 术 路 线
实 验
根际是生物圈最为复源自文库且重要的“微生态热区”之一，
生物植物-土壤-微生系统中，微生物生物量和营养元素的迅速运转，以及植物-土
壤-微生系统的相互作用，其中根际微生物起着关键的作用。 几乎所有的有机体都需要利用氮元素作为营养，氮是植物的初始限制营养元素， 植物与微生物之间存在强烈的竞争关系。
土壤、植物和微生物之 间的相互作用使得稻田土 壤碳氮铁生物地球化学循 环互相依赖，紧密相关。
研究意义
本研究旨在研究不同生长时期氮素过程尤其是根际与非根际过程氮转化差异，及 与碳、铁等关键生命元素的耦合关系。 在研究水稻关键生长期根际-非根际有机无机氮素含量等生化过程差异的基础上，定量
氮循环过程关键功能基因，挖掘根际生化过程与氮循环过程关键功能微生物的内在联
系， 及其这些关键功能微生物在影响水稻生长、温室气体排放、硝化/反硝化等重要过程
中的作用机制，定性和定量研究稻田根际厌氧氨氧化作用，及该过程对氮损失量的贡
献， 为温室气体排放研究、完善陆地生态系统氮素理论、构建局域生物地球化学过程的模
型及其模型验证提供有力支撑。
技术路线
实验方案： 1.根袋盆栽试验 2.在水稻生长不同时期定期收集根际/ 非根际土壤溶液和土壤样品，测定土壤 基本理化性质，重点分析土壤有机碳， 有机氮，无机氮和不同形态铁含量 3.监测温室气体甲烷和氧化亚氮排放特 征 4.稳定同位素标记 化学分析项目：
。根际可溶性有机氮低于非根际，表明水稻根系同时吸收部分有机氮作为氮源。
（4）水稻根际各种微生物丰度均低于非根际土壤，说明在氮素受限条件下，氮是根系微生 物活性限制因子，水稻根系对氮的吸收能力强于根际微生物对氮的利用能力。
（5）氮肥的添加增加了稻田土壤根际和非根际N2O和CH4的排放量。 根际是稻田土壤N2O和
4.水稻根际不同时期碳氮功能基因丰度及对氮肥的响应
氮肥施加到土壤中后，会首先解 聚为单体，然后在胞外酶水解为铵， 为氨氧化提供底物。氨氧化是硝化作 用的第一步，经由硝化作用产生的硝 酸根一部分直接在根系进行反硝化作
用，另一部分扩散到非根际后直接在
还原条件下反硝化为N2O 和 N2释放到 大气中，带来 N2O排放造成的温室效
研究背景
稻田是我国典型的农田生态系统，我国水稻产量世界第一，占全国粮食总产 约50%，水稻土面积占全国耕地总面积约25%，是具有重大经济意义的土壤资源， 对我国粮食安全具有举足轻重的作用。 稻田作为一种独特的人工湿地生态系统，还具备其它耕作土壤所没有的生态 环境功能，主要体现在较强的固碳潜力，消纳大气和其它环境污染物质，净化大 气环境等，但稻田的温室气体排放效应亦不容忽视。土壤有机质循环和积累既是 土壤物理、化学和生物过程和肥力的物质基础，又与固碳作用和温室气体的产生 和排放密切相关。 中国是目前世界上水稻产量和化学氮肥投入最大的国家之一，仅排在印度之 后。为了获取高产，当代农业中氮肥的大量施用增加了土壤氮投入的同时，也导 致了大量氮素的流失，由此带来一系列生态环境问题。比如氨挥发，硝态氮的淋 溶，N2O的排放。
CH4排放的重要来源，尤其是水稻生育中期。
2.水稻生育期根际非根际 C，N，Fe 动态变化及其差异
用 TN 与 NH4+和 NO3-之和的差值表示各处理的DON 含量 。
结论：
（1）随着水稻生长，水稻土中的铵态氮，有机氮逐渐减少，根际总氮、铵 态氮、有机氮含量均低于非根际；水稻生长以铵为主要氮源，其次为有机 氮。 （2）土壤中的总氮、NH4+、总有机碳、Fe2+、Fe3+之间存在显著正相关关系 ，说明水稻土碳氮铁具有耦合性。 （3）根际中的Fe2+和Fe3+浓度低于非根际，添加氮肥抑制了Fe2+和Fe3+含量 。
根际产生的 CH4和 N2O 均显著 高于非根际
结论：
（1）在氮素受限的条件下，微生物生长受到抑制，根根际微生物优先利用可利用氮源满足 自身生长，水稻根系吸收利用氮素作为营养源，说明水稻对氮的竞争能力决定了微生物的 生长。 （2）根际甲烷和氧化亚氮排放量显著高于非根际，甲烷排放主要由化学氧化产生；氧化亚 氮则很可能来自于根际强烈的硝化作用。 （3）根际无法检测到 NH4+，但 NO3-含量显著高于非根际，表明根际硝化作用消耗NH4+产 生NO3-，同时水稻根系吸收 NH4+，根际主要发生硝化作用，而非根际主要发生反硝化作用
3.水稻根际微生物丰度及群落结构多样性对外源氮素的响应
（1）氮肥对水稻根际不同时期古菌、生育前期细菌丰度均没有显著性影响 ，但显著提高了根际生育后期细菌的丰度。 （2）氮肥施用后，根际群落结构多样性并没有明显变化，非根际却显著提 高。 （3）氮肥对水稻根际微生物群落结构的影响在营养生长期大于生殖生长期 ，不同采样时期是影响根际微生物群落分布的主要因素。
可溶性有机碳（DOC），土壤微生物生物量碳 （Cmic），土壤微生物生物量氮（Nmic），及 土壤溶液中的NH4+，NO3-， Fe2+，溶解性有机 氮（DON），
1.水稻根际微生物丰度及对 CH4和 N2O 排放的影响
根际中的NH4+，DON低于非根 际，但是根际土壤中的NO3-浓度 显著高于非根际。 根际中因为根系分泌作用其 DOC 含量显著高于非根际，微生 物生物量C 没有显著性差异，但 是在非根际土壤中，微生物生物 量氮显著高于根际。