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旱作覆膜农田土壤N2O排放路径及微生物作用机制研究

批准号:
42077102
项目类别:
面上项目
资助金额:
57.0 万元
负责人:
李世清
学科分类:
土壤侵蚀与土壤肥力
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李世清

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
农田土壤是大气氧化亚氮(N2O)重要排放源,明确农田土壤N2O产生路径及微生物机制是制定减排措施的重要前提。旱作覆膜条件下施肥对N2O排放的影响已有不少研究,但其排放路径及机制仍不清楚。本研究拟在评估旱作覆膜及不同施肥措施对N2O排放通量影响的基础上,利用稳定性同位素技术与分子生物学相结合的方法,通过田间试验(SPN2O-δ18ON2O/H2O及功能基因转录组分析)与室内培养试验(15N成对标记、15N–18O双标记法),揭示长期覆膜及施肥旱作农田土壤N2O主要排放路径、氮素初级转化过程、功能微生物及其与环境因子的关系;应用13CO2-DNA稳定性同位素探针技术及全程硝化细菌(comammox)cladeA、cladeB的氨单加氧酶基因(amoA)代谢活性,明确comammox在不施肥措施下的自养硝化活性及对不同硝化抑制剂的响应,为旱作农田N2O减排措施的制定提供理论依据。
英文摘要
Fertilized agricultural fields is a major source of global nitrous oxide emission, clarifying the producing pathways and associated microbial mechanisms of N2O from farmland is therefore the prerequisite to achieve worldwide N2O emission reduction. N2O emission from varid fertilization strategies in film-mulching drypland soil have drawn increasing concerns, however the underlying mechanisms responsible for N2O emission is still unclear.The main aim of the present study is to reveal the far-reaching effects of film mulching and fertilization practices on farmland soil N2O production pathways, gross N transformation rates, functional microbial communities and the relationship between N2O flux and environmental factors through in situ (SPN2O-δ18ON2O/H2O mapping approaches and transcriptome analyses) and incubation experiments (paired 15N tracing and 15N-18O labeling technique) using combined techniques of stable isotope labeling method and molecular biotechnology on the basis of comprehensive assessment of film-mulching and fertilization practices in terms of N2O flux. In addition, the autotrophic nitrification activity and response to different nitrification inhibitors of complete ammonia oxidizers(comammox) in various fertilized film-mulching soils is to be evaluated using 13CO2-DNA-stable isotope probing combined with the metabolic activity of the ammonia monooxygenase gene (amoA) of clade A and clade B comammox bacteria, thus to provide fundermental basis for N2O mitigation strategies in semiarid agricultural soils.
农田土壤是氧化亚氮(N2O)重要排放源,明确农田土壤N2O产生路径及微生物机制是制定减排措施的重要前提。本研究针对旱作覆膜农田N2O产生路径及机制这一科学问题,在评估长期覆膜及不同施肥措施对N2O排放通量影响的基础上,通过田间试验(SPN2O-δ18ON2O/H2O及功能基因丰度)与室内培养试验(15N成对标记、特异性抑制剂法、15N–18O双标记法),揭示长期覆膜及施肥条件下旱作农田土壤氮素初级转化特征、N2O主要产生路径、功能微生物及其与环境因子的关系。主要研究结论有:(1)尽管覆膜因改善土壤水热条件会增加N2O排放,但长期覆膜会降低土壤AOB amoA基因丰度及真菌数量,降低自养硝化及难矿化有机氮的矿化,从而降低N2O排放;覆膜条件下,施氮会显著增加AOB amoA基因丰度及易矿化有机氮的矿化和自养硝化,增加N2O排放,且不同施氮肥处理N2O排放量的大小顺序为:氮肥配施有机肥>高量施氮>常规施氮>不施氮,且差异达显著水平。(2)长期覆膜增加了田间多数采样事件中硝化细菌反硝化+异养细菌反硝化对N2O产生的贡献;覆膜条件下,与高氮处理相比,常规施氮会降低N2O产物比rN2O-N2O/(N2O+N2)。(3)自养硝化、总初级氮矿化是石灰性土壤主要氮素转化过程,硝酸盐异化还原为铵及硝态氮的同化极为微弱,导致土壤中硝态氮的累积。(4)AOB驱动的以铵态氮为底物的自养硝化(硝化细菌硝化+硝化耦合反硝化+硝化细菌反硝化)是不同农业管理措施(覆膜和不同施肥处理)旱地石灰性农田土壤N2O产生的主要路径,在两年玉米生育期占N2O总排放量的53.4-85.0%,其中硝化细菌反硝化过程占总氨氧化路径的15.3-97.8%,占总N2O排放的13.9-93.2%;在培养条件下,不同田间处理土样自养硝化过程生产的N2O平均占总N2O排放的81.7%,并在48 h内随培养时间延长而增加。(5)长期覆膜和施肥显著影响N2O排放相关微生物的多样性和丰富度。. 本项目研究结果为靶向抑制半干旱地区石灰性土壤AOB活性或降低自养硝化速率,从而实现N2O减排提供了一定理论基础。. 项目已发表SCI论文6篇(均为Top期刊),培养博士生3名。
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