我国典型稻田土壤甲烷氧化与生物固氮的耦合过程研究

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xm_104
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稻田土壤可进行甲烷氧化细菌介导的甲烷好氧氧化作用,是甲烷消减重要过程。氮是作物生长过程中所必需的大量元素,是水稻稳产增产的主要限制因素之一;生物固氮是稻田土壤中活性氮输入的重要来源之一。现已发现一些甲烷氧化菌具有固氮基因,可能会进行生物固氮,但是具体机理及影响因素尚不清楚。一般认为,只有在无氮或氮极度缺乏条件下,土壤微生物才启动固氮功能。因此,通过测定不同土壤样品的甲烷氧化速率和氮矿化速率,筛选出不同强度氮矿化潜力的土壤,作为自身供氮能力强、弱的典型土壤,可以评价具有不同甲烷氧化特征土壤的固氮潜力。本试验以24个来自我国不同地区的典型稻田土壤作为研究对象,测定其基本理化性质和土壤中pmoA基因、nifH基因数量特征;再进行甲烷氧化速率和净氮矿化速率的测定,分析两个速率之间的内在关系;在此基础上,利用稳定性同位素13C和15N示踪技术进行培养试验,研究甲烷氧化潜力不同的典型土壤固氮能力,以及对不同梯度底物13CH4浓度的响应特征,揭示水稻土呼吸与氮矿化过程、甲烷氧化和固氮的耦合机制;探究我国典型水稻土甲烷氧化过程的固氮潜力及环境微生物驱动机制。研究结果如下:(1)24例典型稻田原位土壤中均存在甲烷单加氧酶(pmoA)和固氮基因(nifH)且呈极显著正相关关系,表明这些水稻土具有同时甲烷氧化和生物固氮的潜能。对pmoA基因高通量测序发现,14例水稻土以Ia型甲烷氧化菌主导,四川资阳水稻土由Ib型甲烷氧化菌主导,其余9例水稻土由II型甲烷氧化菌主导。(2)24例典型水稻原状土(保留本底无机氮)进行20%高浓度甲烷氧化,结果显示:甲烷氧化速率范围在2.97-12.57mmolg-1d-1,平均值是5.98mmolg-1d-1,主要分布在3.99-5.28mmolg-1d-1;发现甲烷氧化速率最高的4例水稻土分别是江苏扬州土(12.57mmolg-1d-1)、黑龙江建三江土(12.55mmolg-1d-1)、湖北荆门土(8.38mmolg-1d-1)和江苏滨海土(8.38mmolg-1d-1);氧化速率最低的4例水稻土分别是湖南古市土(4.47mmolg-1d-1)、湖南桃源土(3.99mmolg-1d-1)、海南土(3.30mmolg-1d-1)和四川彭州土(2.97mmolg-1d-1)。(3)24例典型稻田原状土(保留本底无机氮)进行氮矿化实验,结果显示:净氮矿化速率速率范围为0.34-4.30μgg-1d-1,平均值为1.23μgg-1d-1,主要分布在0.34-1.97μgg-1d-1;发现净氮矿化速率速率最高的4例水稻土分别是湖南桃源土(4.40μgg-1d-1)、四川资阳土(2.63μgg-1d-1)、江苏扬州土(1.97μgg-1d-1)和浙江嘉兴土(1.97μgg-1d-1);净氮矿化速率速率最低的4例水稻土分别是四川原阳土(0.44μgg-1d-1)、四川达州土(0.43μgg-1d-1)、黑龙江海伦土(0.35μgg-1d-1)和江苏滨海土(0.34μgg-1d-1)。24例典型稻田土壤呼吸速率变化与矿化速率变化基本吻合。(4)24例典型稻田原状土去除本底无机氮后,并在13C和15N同位素示踪条件下进行固氮潜力实验,结果发现,水稻土消耗13CH4的同时土壤中15N原子丰度显著增加,表明了水稻土甲烷氧化过程和生物固氮过程存在耦合作用,同时发现氮矿化速率低的水稻土表现出较高的固氮活性。根据培养结束后土壤13C、15N丰度特征以及甲烷氧化速率和净氮矿化速率,确定了高氧化速率低矿化速率和低氧化速率高矿化速率这两种类型的水稻土共7个,分别是来自湖北荆门、广东雷州、黑龙江海伦、黑龙江建三江、江西鹰潭、湖南桃源和重庆渝北的水稻土。(5)对筛选出的7例水稻土去除本底无机氮后,利用13C和15N同位素示踪其在不同甲烷底物浓度条件下的固氮潜力特征,结果发现,湖北荆门、黑龙江海伦和黑龙江建三江水稻土水稻土在15%浓度条件下启动生物固氮过程,广东雷州、江西鹰潭、湖南桃源和重庆渝北水稻土在30%浓度条件下才能表现出生物固氮作用。这一结果表明高浓度甲烷底物有利于水稻土好氧甲烷氧化的生物固氮过程,且甲烷氧化耦合生物固氮有一定的甲烷底物浓度限制。综上所述,本实验表明水稻土甲烷好氧氧化作用可以驱动生物固氮过程,且氮矿化速率低的水稻土有利于生物固氮,高浓度甲烷底物有利于生物固氮过程,这些结果对稻田甲烷减排有很重要的意义。
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