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农田土壤重金属污染，尤其是镉(Cd)污染，严重威胁着粮食安全、生态安全和人体健康，目前已成为全球性备受关注的环境问题之一。最近的相关研究开始关注污染土壤中的生态功能。作为土壤氮(N)循环功能的重要过程，硝化作用和反硝化作用一直以来都是研究热点。迄今为止，大部分研究都集中于淹水条件下Cd对水稻土硝化、反硝化作用以及相关功能微生物的影响，却忽略了水稻土干湿变化的影响。其次，研究表明Cd对硝化、反硝化微生物有抑制作用，但对于污染土壤中N2O的排放机制尚不清晰。并且，镉如何介导水稻根际和内生菌群落的变化，以及镉在连续淹水(CF)和交替湿润和干燥(AWD)条件下怎样影响水稻生长也鲜有报道。为了阐明水稻土中Cd-微生物.水稻之间的作用机制以及水分变化带来的影响，我们进行一系列实验探讨不同水分管理措施下Cd对以下过程和特性的影响：1）土壤N转化;2）N2O释放以及硝化细菌和反硝化细菌丰度;3）微生物群落组成和结构;4）根际和内生菌丰度;5）水稻镉吸收、根系IAA含量和超微结构;6)水稻OsNTRs基因的表达等。主要研究结果如下：
1.不同水分条件下Cd对水稻土氮素转化的影响。在淹水、不淹水和干湿交替条件下设置不同Cd浓度(2mg Cd kg-1、5mg Cd kg-1和10mg Cd kg-1)，开展土壤培养实验和水稻盆栽试验，研究水稻土以及根际土壤氮素转化过程。土培实验中，在非淹水土壤中有效Cd浓度较淹水土壤中高。在培养末期第56d，10mg kg-1Cd处理中土壤Cd有效性在不淹水条件下为52％，而在淹水条件下仅为5％。盆栽实验中，根际土壤中有效Cd浓度在干湿交替条件下显著高于连续淹水条件下(p≤0.05)。根际土壤中有效Cd浓度随着培养时间延长有所下降，其中在5mg kg-1和10mg kg-1Cd处理下，有效Cd在连续淹水56d后分别下降59％和54％，而在于湿交替后只分别下降10％和27％。土培和盆栽实验均表明Cd降低了土壤可溶性有机氮(DON)含量，但在淹水条件下，其抑制作用在不同Cd浓度下并无显著差异。土壤DON随着培养时间延长而下降。在整个土培周期中，土壤DON在淹水条件下下降了32％;在整个盆栽培养周期中，根际土壤DON在连续淹水和干湿交替条件下分别下降29％和73％。在土培和盆栽试验中，10mg kg-1Cd处理土壤中，NH4+-N浓度随时间呈显著上升趋势，且其上升幅度在非淹水条仵下更大。在培养末期，在淹水条件下不同浓度Cd处理的NH4+-N浓度均无显著差异。同时，在10mg kg-1Cd处理下，根际土壤中NO3--N含量较对照相比下降4倍。总的来说，高浓度Cd抑制了硝化作用，主要表现为NH4+-N的升高及NO3--N的下降，且其抑制作用在非淹水和干湿交替条件下更为显著。
2.不同水分条件下Cd对土壤N2O排放以及相关微生物的影响。在淹水、不淹水和干湿交替情况下，Cd的添加均显著降低了氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)、反硝化细菌(nirS，nirK，nosZ)的基因拷贝数(p＜=0.05），从而抑制了氮素转化过程以及N2O的产生。其中，10mg kg-1Cd处理对氮功能基因的毒害作用最大，进而抑制了氮素转化过程。在不淹水条件下，Cd的抑制作用更为显著。
3.不同水分条件下Cd对土壤微生物群落丰度以及多样性的影响。不同水分条件下，Cd对土壤细菌群落结构的影响不同。不淹水条件下，放线菌门(Actinobacteria)相对丰度在5mg Cd kg-1、10mg Cd kg-1处理下分别下降10％和13％。但在淹水条件下，放线菌门(Actinobacteria)相对丰度在0mg Cd kg-1和10mg Cd kg-1处理下培养14d后分别增加了21％和30％。在所有处理中，有约941806条真菌序列未能注释到任何菌门。子囊菌门(Ascomycota)在不同水分条件土壤中均占主导地位，含332876条OTU序列;而担子菌门(Basidiomycota)和接合菌门(Zygomycota)分别只有81和20条OTU序列。淹水条件下，Cd添加并不影响各类真菌的相对丰度。总的来说，土壤细菌和真菌群落结构主要受水分管理及培养时间影响。淹水条件下，氧化还原电位降低，氧气和硝酸盐快速消耗使得微生物采取策略（如改变群落结构等）来适应环境。
4.不同水分条件下Cd对根际及根内微生物群落的影响。干湿交替条件下，水稻根内和根际16S rRNA基因丰度在较连续淹水条件下更低(p＜0.05）。Cd添加显著降低了根内及根际16S rRNA基因丰度，且在培养前期，根际16S rRNA基因丰度随Cd浓度增高呈下降趋势。在培养末期，各浓度Cd处理中根际16S rRNA基因丰度在连续淹水条件下无显著差异，但在于湿交替下却存在显著差异。干湿交替土壤中，Cd的生物有效性较高，不仅降低了根际16S rRNA基因的丰度，并且可能通过降低吲哚乙酸(IAA)产生菌降低了水稻内生菌的数量。
5.不同水分条件下Cd对水稻生长、根IAA含量及根超微结构的影响。总体来看，Cd的添加显著抑制了水稻生长，其抑制作用随Cd浓度增加而增强，且在于湿交替条件下更为显著。在添加10mg Cd kg-1处理后，水稻根重、茎重和株高在连续淹水条件下分别下降了68％、27％和11％，在于湿交替条件下分别下降82％、41％和19％(p＜0.01)。同样，根IAA含量随Cd污染浓度增高而显著下降(p＜0.05），在添加10mg Cdkg-1处理后其下降幅度在干湿交替下比连续淹水时高出25％。同时，Cd添加对叶片和根系的超微结构的影响也在于湿交替下更为显著。在添加10mg Cd kg-1处理后，水稻茎中Cd浓度在连续淹水条件下增加了16.8倍，在于湿交替下增加幅度高达43倍;干湿交替下水稻茎中总Cd含量比连续淹水条件下高出6倍。在两种水分条件下，Cd的添加均降低植物根茎中氮的浓度，且在干湿交替下更甚。干湿交替下，植物对Cd吸收增加，对根的超微结构破坏更大，从而抑制根中IAA产生，最后导致水稻生物量降低和生长状况变差。
6.不同水分条件下Cd对水稻OsNTRs基因表达的影响。采用定量逆转录聚合酶链反应(qRT-PCR)方法研究不同Cd水平(2、5、10mg kg-1)对水稻根系OsNRT2.1和OsNRT2.2基因表达的影响。Cd抑制根际土壤硝化作用，从而使得硝态氮含量下降，从而激发OsNRT基因的表达。在10mg Cd kg-1处理24d后，OsNRT2.1和OsNRT2.2mRNA上升至最高水平（分别增加14倍和5倍），此后至56天与无镉对照相比是下降的。连续淹水56d后，与对照组相比，OsNRT2.1和OsNRT2.2基因在10mg kg-1Cd水平上的表达量仍然较高，而在干湿交替条件下，这两个基因的转录水平与对照组没有差异。研究表明镉污染降低了水稻土中AOA，AOB，nirS,nirK和nosZ基因丰度，抑制了土壤氮素转化。在干湿交替和未淹水条件下，镉对氮素转化及N2O排放的抑制作用更为显著，且水分条件对土壤细菌和真菌的群落结构影响更大。土壤晒干或者干湿交替，作为水稻种植中常见的节水措施，对减少作物重金属积累起着一定作用。然而在本研究中，相对于连续淹水条件，在不淹水以及干湿交替条件下，土壤镉有效性更高，且对植物生长、根系叶片超微结构的抑制作用更强。在干湿交替下，植物N吸收量、IAA浓度以及根际根内的细菌丰度随着镉浓度的升高而显著下降。这可能是由于镉抑制植物内生菌的定殖，减少了根表面积，从而减少了对N素的吸收。不同水肥管理条件下重金属污染土壤硝化及反硝化作用需要进一步研究。
1.不同水分条件下Cd对水稻土氮素转化的影响。在淹水、不淹水和干湿交替条件下设置不同Cd浓度(2mg Cd kg-1、5mg Cd kg-1和10mg Cd kg-1)，开展土壤培养实验和水稻盆栽试验，研究水稻土以及根际土壤氮素转化过程。土培实验中，在非淹水土壤中有效Cd浓度较淹水土壤中高。在培养末期第56d，10mg kg-1Cd处理中土壤Cd有效性在不淹水条件下为52％，而在淹水条件下仅为5％。盆栽实验中，根际土壤中有效Cd浓度在干湿交替条件下显著高于连续淹水条件下(p≤0.05)。根际土壤中有效Cd浓度随着培养时间延长有所下降，其中在5mg kg-1和10mg kg-1Cd处理下，有效Cd在连续淹水56d后分别下降59％和54％，而在于湿交替后只分别下降10％和27％。土培和盆栽实验均表明Cd降低了土壤可溶性有机氮(DON)含量，但在淹水条件下，其抑制作用在不同Cd浓度下并无显著差异。土壤DON随着培养时间延长而下降。在整个土培周期中，土壤DON在淹水条件下下降了32％;在整个盆栽培养周期中，根际土壤DON在连续淹水和干湿交替条件下分别下降29％和73％。在土培和盆栽试验中，10mg kg-1Cd处理土壤中，NH4+-N浓度随时间呈显著上升趋势，且其上升幅度在非淹水条仵下更大。在培养末期，在淹水条件下不同浓度Cd处理的NH4+-N浓度均无显著差异。同时，在10mg kg-1Cd处理下，根际土壤中NO3--N含量较对照相比下降4倍。总的来说，高浓度Cd抑制了硝化作用，主要表现为NH4+-N的升高及NO3--N的下降，且其抑制作用在非淹水和干湿交替条件下更为显著。
2.不同水分条件下Cd对土壤N2O排放以及相关微生物的影响。在淹水、不淹水和干湿交替情况下，Cd的添加均显著降低了氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)、反硝化细菌(nirS，nirK，nosZ)的基因拷贝数(p＜=0.05），从而抑制了氮素转化过程以及N2O的产生。其中，10mg kg-1Cd处理对氮功能基因的毒害作用最大，进而抑制了氮素转化过程。在不淹水条件下，Cd的抑制作用更为显著。
3.不同水分条件下Cd对土壤微生物群落丰度以及多样性的影响。不同水分条件下，Cd对土壤细菌群落结构的影响不同。不淹水条件下，放线菌门(Actinobacteria)相对丰度在5mg Cd kg-1、10mg Cd kg-1处理下分别下降10％和13％。但在淹水条件下，放线菌门(Actinobacteria)相对丰度在0mg Cd kg-1和10mg Cd kg-1处理下培养14d后分别增加了21％和30％。在所有处理中，有约941806条真菌序列未能注释到任何菌门。子囊菌门(Ascomycota)在不同水分条件土壤中均占主导地位，含332876条OTU序列;而担子菌门(Basidiomycota)和接合菌门(Zygomycota)分别只有81和20条OTU序列。淹水条件下，Cd添加并不影响各类真菌的相对丰度。总的来说，土壤细菌和真菌群落结构主要受水分管理及培养时间影响。淹水条件下，氧化还原电位降低，氧气和硝酸盐快速消耗使得微生物采取策略（如改变群落结构等）来适应环境。
4.不同水分条件下Cd对根际及根内微生物群落的影响。干湿交替条件下，水稻根内和根际16S rRNA基因丰度在较连续淹水条件下更低(p＜0.05）。Cd添加显著降低了根内及根际16S rRNA基因丰度，且在培养前期，根际16S rRNA基因丰度随Cd浓度增高呈下降趋势。在培养末期，各浓度Cd处理中根际16S rRNA基因丰度在连续淹水条件下无显著差异，但在于湿交替下却存在显著差异。干湿交替土壤中，Cd的生物有效性较高，不仅降低了根际16S rRNA基因的丰度，并且可能通过降低吲哚乙酸(IAA)产生菌降低了水稻内生菌的数量。
5.不同水分条件下Cd对水稻生长、根IAA含量及根超微结构的影响。总体来看，Cd的添加显著抑制了水稻生长，其抑制作用随Cd浓度增加而增强，且在于湿交替条件下更为显著。在添加10mg Cd kg-1处理后，水稻根重、茎重和株高在连续淹水条件下分别下降了68％、27％和11％，在于湿交替条件下分别下降82％、41％和19％(p＜0.01)。同样，根IAA含量随Cd污染浓度增高而显著下降(p＜0.05），在添加10mg Cdkg-1处理后其下降幅度在干湿交替下比连续淹水时高出25％。同时，Cd添加对叶片和根系的超微结构的影响也在于湿交替下更为显著。在添加10mg Cd kg-1处理后，水稻茎中Cd浓度在连续淹水条件下增加了16.8倍，在于湿交替下增加幅度高达43倍;干湿交替下水稻茎中总Cd含量比连续淹水条件下高出6倍。在两种水分条件下，Cd的添加均降低植物根茎中氮的浓度，且在干湿交替下更甚。干湿交替下，植物对Cd吸收增加，对根的超微结构破坏更大，从而抑制根中IAA产生，最后导致水稻生物量降低和生长状况变差。
6.不同水分条件下Cd对水稻OsNTRs基因表达的影响。采用定量逆转录聚合酶链反应(qRT-PCR)方法研究不同Cd水平(2、5、10mg kg-1)对水稻根系OsNRT2.1和OsNRT2.2基因表达的影响。Cd抑制根际土壤硝化作用，从而使得硝态氮含量下降，从而激发OsNRT基因的表达。在10mg Cd kg-1处理24d后，OsNRT2.1和OsNRT2.2mRNA上升至最高水平（分别增加14倍和5倍），此后至56天与无镉对照相比是下降的。连续淹水56d后，与对照组相比，OsNRT2.1和OsNRT2.2基因在10mg kg-1Cd水平上的表达量仍然较高，而在干湿交替条件下，这两个基因的转录水平与对照组没有差异。研究表明镉污染降低了水稻土中AOA，AOB，nirS,nirK和nosZ基因丰度，抑制了土壤氮素转化。在干湿交替和未淹水条件下，镉对氮素转化及N2O排放的抑制作用更为显著，且水分条件对土壤细菌和真菌的群落结构影响更大。土壤晒干或者干湿交替，作为水稻种植中常见的节水措施，对减少作物重金属积累起着一定作用。然而在本研究中，相对于连续淹水条件，在不淹水以及干湿交替条件下，土壤镉有效性更高，且对植物生长、根系叶片超微结构的抑制作用更强。在干湿交替下，植物N吸收量、IAA浓度以及根际根内的细菌丰度随着镉浓度的升高而显著下降。这可能是由于镉抑制植物内生菌的定殖，减少了根表面积，从而减少了对N素的吸收。不同水肥管理条件下重金属污染土壤硝化及反硝化作用需要进一步研究。