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全球变暖与大气中的温室气体浓度升高具有密切关系。近年来,我国水稻土壤地力的下降以及CH4和CO2等温室气体的大量排放已引起了学者们广泛关注。本研究以湖北省几种代表性的水稻土,采自潜江市的油菜-中稻轮作土(简称QR)和休闲/泡水-中稻土(简称QF)以及采自咸宁市的油菜-中稻轮作土(简称XR)和休闲/泡水-中稻土(简称XF)为对象,在室内培养条件下,研究了不同外源碳以及水分条件下的CH4和CO2排放特征及其影响因素;分析了土壤可溶性有机碳(DOC)与CH4和CO2排放关系以及氧化还原电位(Eh)、外源碳等对土壤有机碳矿化的影响;探讨了土壤内源铁的还原与CH4和CO2排放之间的耦合关系,并利用分子生物学手段研究了土壤的总细菌和铁还原细菌(FeRB)的群落多样性及组成结构,从分子生态驱动机制上解释了不同环境中的异化铁还原差异以及对土壤有机碳矿化的影响。主要研究结果如下:1.淹水条件下添加稻草以及稻草+尿素后,XR和QF土壤在培养期间的CH4累积排放量分别为969.53~1692.05和1739.36~1855.55 mg C kg-1,远高于非淹水条件(WFPS 80%)相同处理的CH4累积排放量(125.60~192.48和420.80~448.80μg C kg-1);淹水条件下添加稻草以及稻草+尿素后,XR和QF土壤CO2累积排放量分别为2709.82~2885.53和2036.07~2133.82 mg C kg-1,也高于非淹水条件下相同处理的CO2累积排放量(1729.16~1676.51和1628.80~1675.05 mg C kg-1)。不同水分下的土壤Eh与CH4的排放速率呈显著负相关关系(p<0.05)。淹水条件下添加稻草后的全球增温潜势(GWP)极大地抵消了土壤的固碳潜能。稻草+尿素添加方式更有利于土壤无机氮的释放。2.淹水条件下添加葡萄糖后,QR,QF,XR和XF土壤CH4分别为5.31,35.26,13.92和27.58 mg C kg-1,而CO2累积排放量分别为594.33,620.49,549.42和792.46mg C kg-1。添加葡萄糖显著促进了QR和QF中CH4和CO2排放通量(p<0.05),但对XR和XF无显著影响。此外,在培养前20天内,Fe(II)/[Fe(II)+Fe(III)]比值与CH4排放速率显著正相关(p<0.05),而CO2排放速率与整个培养期间Fe(II)产生速率呈显著正相关关系(p<0.05)。异化铁还原过程抑制了土壤CH4的排放,尤其在第四纪红壤中抑制效果更为明显。3.蒽醌2,6-二磺酸钠(AQDS)对土壤CH4和CO2排放及异化铁还原有重要的影响。同一浓度的AQDS添加到四种土壤中,仅QR的CH4累积排放量略有增加外(9.1%),其他土壤的CH4排放均受到了抑制,且QF,XR和XF的CH4累积排放量分别减少了8.9%,15.3%和42.3%。不同浓度的AQDS添加到QF中,仅200 mg C kg-1的AQDS增加了CH4累积量,其余添加处理下降低了40.2%~49.4%的CH4累积排放量。在不同的添加实验中均发现,AQDS对土壤CO2排放几乎无影响,但对土壤的异化铁还原却有明显的促进作用。4.末端限制性片段长度多态性技术(T-RFLP)对XR和QF土壤微生物群落多样性分析的结果表明,XR微生物多样性明显高于QF,表明微生物的种群分布与土壤长期的轮作方式相关;两种土壤微生物群落大部分以厌氧和兼性厌氧菌为主,有助于解释微生物的分布及其生化特性是导致不同水分条件下土壤的矿化差异的重要驱动因子。更重要的是,研究发现两种土壤的铁还原细菌(FeRB)占总群落的25.7%~30.8%,揭示了FeRB是参与水稻土铁-碳或铁-氮循环过程的重要种群。5.利用高通量测序技术对四种土样的FeRB种群多样性进行了分析。在四种富集样中分别获得了25935~44993条DNA优化序列以及554~1056个分类单元(OTUs)。结果显示,四个富集样的FeRB多样性大小排序为XF>QR>QF>XR,而XF中FeRB群落多样性和丰富性均最高,而且与其他三种土样的FeRB发育亲缘性最远。环境变量分析表明,四种土壤的FeRB多样性分布受土样pH、C/N和活性铁含量的影响。此外,在富集培养实验中,我们还首次发现了Phingomonas,Pandoraea和Azospira等细菌具有异化铁还原的功能。综上所述,不同母质和作物轮作方式下的水稻土CH4和CO2排放在不同培养条件下表现出了显著差异。除了受土壤水分、外源碳的种类以及添加方式影响外,还受到土壤母质特征,更重要的是与长期轮作方式密切相关。本研究加深了对水稻土有机碳的矿化过程的认识,为实现水稻田的固碳减排和促进区域农业可持续发展的相关调控措施提供了理论依据。