干湿交替对稻田硝化-反硝化氮损失及产物构成的影响机制

Nitrification and denitrification are important pathways of nitrogen loss and nitrous oxide emission from rice paddy field. Drying and wetting cycle is key process which affects the nitrification and denitrification in rice paddy soil. Up to now, the majority of studies on nitrification and denitrification in rice paddy soil are based on laboratorial incubation and field measurement of nitrous oxide fluxes. It is lack of data on in situ gaseous nitrogen loss and product composition. It is unclear how the drying and wetting cycles affect in situ nitrification and denitrification in rice paddy soil. The current project chooses the typical rice paddy soil as study object to illustrate the effects of drying and wetting cycle on in situ gaseous nitrogen loss and product composition from nitrification and denitrification. Based on the field experiment of water management, the gaseous nitrogen loss and product composition from in situ nitrification and denitrification in rice paddy soil will be quantified by the direct di-nitrogen method and the nitrogen isotopic natural abundance method. The dynamics of key parameters, e. g., nitrate, ammonium and dissolved organic carbon, will be monitored to investigate the involved environmental and microbial driving mechanisms during the drying and wetting cycling. The results will provide theoretical bases for decreasing nitrogen loss and nitrous oxide emission from rice paddy field.

硝化-反硝化过程是稻田氮损失与氧化亚氮排放的重要途径，干湿交替是影响稻田硝化-反硝化的关键过程。目前有关稻田硝化-反硝化的研究主要集中在室内模拟培养与大田氧化亚氮通量观测，缺乏田间原位气态氮排放总量与产物构成的数据，干湿交替对稻田原位硝化-反硝化过程的影响机制还不清楚。本项目以典型稻田为研究对象，以阐明干湿交替对稻田原位硝化-反硝化气态氮损失及其产物构成的影响机制为目标，依托不同水分管理大田定位实验，运用双密闭原状土柱-直接定量氮气法与氮同位素自然丰度法观测稻田原位硝化-反硝化氮损失与产物构成，明确干湿交替过程中硝态氮、铵态氮与可溶性有机碳等关键环境因子与硝化-反硝化微生物关键功能基因表达的变化规律，探明其中的环境调控机制与微生物驱动机制，为降低稻田氮损失与氧化亚氮排放提供理论依据｡

硝化-反硝化过程是稻田氮损失与氧化亚氮排放的重要途径，干湿交替是影响稻田硝化-反硝化的关键过程。目前干湿交替对稻田硝化-反硝化过程的影响机制还不清楚。本项目以典型稻田为研究对象，以阐明干湿交替对稻田原位硝化-反硝化气态氮损失及其产物构成的影响机制为目标，重点研究了稻田土壤硝化-反硝化脱氮总量及产物构成对干湿交替的响应规律以及环境与微生物学驱动机制。.本项目取得了以下重要结果：.（1）.探明了典型水稻土干湿交替过程中氧化亚氮与氮气排放规律，发现干湿交替过程是水稻土氮损失与温室气体氧化亚氮排放的热点时刻，且氮气是水稻土干湿交替过程氮损失的主要形态。.（2）.发现在淹水阶段 Pseudomonas是主要的反硝化菌，而在排干阶段，除了Pseudomonas菌以外，Sulfuritalea与Thiobacillus的相对丰度逐渐提高。这些结果表明Pseudomonas、Sulfuritalea、Thiobacillus菌在水稻土干湿交替过程中氧化亚氮的产生与还原起到关键的调控作用。.（3）.发现了位于水稻根系表面的铁膜是稻田氧化亚氮排放的热点区域，在干湿交替过程中，铁膜含量与氧化亚氮排放显著正相关，铁膜中的二价铁离子作为反硝化过程的电子供体，促进了铁膜表面反硝化微生物丰度与反硝化功能基因丰度，进而促进科水稻土氧化亚氮的排放。这些结果表明：电子供体/受体的微生物可获得性可能是影响水稻土与其他类型土壤氧化亚氮排放的关键因素。.（4）.证明了通过增加土壤中反硝化电子供体/受体的微生物可获得性（如：添加电子供体二价铁与电极直供电子，或者添加生物炭作为电子穿梭体），可调控稻田土壤与旱地土壤氮损失总量与温室气体氧化亚氮排放总量，为降低稻田与旱地土壤氮损失与氧化亚氮排放提供新的理论依据与调控途径｡.以上部分成果已经在SBB、EST等土壤与环境领域主流期刊发表标注论文10篇，其中SCI论文8篇，中文核心期刊2篇，第一标注6篇。申请发明专利两件，其中授权一件。申请人在本项目执行期内入选国家重点研发计划首席青年科学家。