土壤不仅能够产生、排放温室气体N2O,还具有截留、吸收、转化N2O的能力.土壤消耗N2O已经成为很重要的一种降低大气N2O浓度的途径,但目前关于土壤N2O消耗过程及其微生物调控机制的系统研究较为缺乏.试验以浅表层水稻土柱(0-5cm)为研究对象,通过外源添加N2O气体研究N2O迁移通过淹水土柱的动态过程,以及N2O消耗能力与氧化亚氮还原酶基因丰度变化和其他土壤养分含量变化的联系,揭示浅表层水稻土N2O消纳量与N2O还原微生物之间的耦合关系.结果 显示,淹水厌氧条件下5 cm土壤深度外源添加的N2O迁移通过浅表层土柱后,仅有7.17-9.80％部分逸散出土表,表明0-5 cm淹水水稻土层具有极强的N2O截留能力(90％以上)而减少N2O净排放量.排放出土表的N2O也可被淹水土柱继续吸收消耗,且吸收转化速率随N2O浓度增加而大幅提高,最高可达到3896.75 μg N m-2 h-1.与此同时,土壤DOC含量大量消耗,含nosZⅠ基因的反硝化微生物数量显著增长(P＜0.01),而nosZⅡ基因丰度的无显著变化.说明高浓度N2O添加能够促进淹水土壤N2O吸收消耗能力,此刺激作用可能主要由含nosZI基因的N2O还原微生物进行调控.浅表层土壤强大的N2O吸收消耗功能可进一步深入系统研究,为实践温室气体减排提供理论基础.

农田施肥会影响土壤微生物驱动的氮素转化和氧化亚氮(N2O)排放.基于32年的长期肥料定位试验,研究了旱地红壤反硝化功能基因(nirS、nirK、nosZ Ⅰ和nosZ Ⅱ)对不同长期施肥处理的响应及其关键影响因素.试验包括6个处理,分别为不施肥(CK)、单施化肥、化肥+花生秸秆、化肥+水稻秸秆、化肥+萝卜菜和化肥+猪粪.结果 表明:与单施化肥相比,化肥和有机物料配施可以有效缓解红壤酸化、提高土壤有机碳含量,其中以化肥和猪粪配施的效果最好.长期施肥对nirK基因丰度没有显著影响,但显著影响nirS基因丰度;与CK相比,长期单施化肥可显著增加nirS基因丰度,增幅达426％,但与单施化肥相比,化肥和有机物料配施降低了nirS基因丰度.旱地红壤中nosZ Ⅰ基因丰度远高于nosZ Ⅱ基因丰度,表明nosZⅠ在酸性红壤中占主导地位;长期施肥对nosZ Ⅱ基因丰度没有显著影响.但长期施用化肥+猪粪显著提高了nosZ Ⅰ基因丰度,增幅为138％.逐步回归分析表明,有效磷含量是影响nosZ Ⅰ基因丰度的关键环境因子,而nosZ Ⅱ基因丰度则主要受硝态氮含量的影响.化肥和猪粪配施处理的(nirS+nirK)/(nosZ Ⅰ+nosZ Ⅱ)值最低,表明化肥和猪粪配施可能会降低旱地红壤的N2O排放能力.

反硝化功能基因丰度是决定温室气体氧化亚氮(N2O)排放潜力的重要生物因素.反硝化功能基因主要包括产生N2O的关键基因nirK和nirS,以及将N2O还原成氮气的基因nosZⅠ和nosZⅡ.本研究利用实时荧光定量PCR,研究了32年缺施氮(N)、磷(P)或钾(K)肥,以及施用石灰、石膏处理下江西鹰潭红壤反硝化功能基因的丰度,分析了其关键影响因素.结果 表明:与平衡施肥的NPK处理相比,缺施P肥显著降低了nirK、nirS、nosZⅠ和nosZⅡ基因丰度;缺施N肥显著降低了nirK、nosZⅠ和nosZⅡ丰度,对nirS丰度无显著影响;缺施K肥则对反硝化功能基因丰度无显著影响.逐步回归和随机森林分析表明,土壤pH值是影响旱地红壤nosZⅠ和nosZⅡ基因丰度的关键环境因子.施用石灰或石灰+石膏提高了土壤pH值,进而显著提高了nosZⅡ基因丰度和nosZ Ⅱ/nosZⅠ比值,增幅分别为151％ ～233％和127％～155％.旱地红壤施用石灰或石灰+石膏更有利于nosZⅡ型N2O还原菌生长,可能提高nosZⅡ在N2O还原中的相对重要性.缺施P肥对红壤反硝化功能基因丰度的负面影响最大,而施用石灰或石灰+石膏可以提高nosZⅡ丰度和nosZ Ⅱ/nosZⅠ比值,有利于降低红壤N2O排放潜力.

我国亚热带地区大气氮沉降量逐年上升,对森林土壤生物地球化学循环造成严重影响.本研究设置了对照(不添加氮)、低氮(40 kg·hm-2·a-1)和高氮(80 kg·hm-2·a-1)处理,分析了亚热带米槠天然林土壤反硝化功能基因丰度和N2O 排放潜势对氮沉降的响应.结果表明:高氮处理显著降低土壤N2O排放潜势.长期(8年)氮沉降对nirS、nirK、nosZ Ⅰ和nosZ Ⅱ基因丰度均无显著影响,但nosZ Ⅰ丰度均显著高于nosZ Ⅱ丰度,表明nosZ Ⅰ在酸性森林土壤中占主导.与对照相比,高氮处理显著降低(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZⅡ)值.(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZ Ⅱ)值与土壤pH值呈显著正相关.长期高氮沉降可能通过降低土壤pH值使得土壤(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZ Ⅱ)值下降,从而降低森林土壤N2O排放潜势.