石灰性土壤亚硝态氮积累对氧化亚氮产生的作用机制

Fertilized agricultural soils are the largest anthropogenic N2O source. Understanding N2O production processes from the agricultural soils are the precondition for developing effective mitigation measures. Based on our long-term researches on the characters, processes and controlling factors of the N2O emission on the low carbon calcareous soil on the North China Plain, we combine static incubation with GC, continuous robotic measurement system(Robot), 15N labeled, microbiological molecular techniques together with field observations to further study on: (1) Did the N2O mechanism on calcareous Fluvo-aquic soil on the North China Plain also happened in other Chinese calcareous soils? (2) What are the mechanisms of soil nitrite accumulation and remove on the calcareous soil? (3) What is the quantitative relationship between the nitrite accumulation or remove and the N2O emissions? (4) Which kind of soil microbes participate in the nitrite accumulation? Is the accumulated nitrite removed by the autotrophic nitrification or nitrifier-denitrification, or by the real heterotrophic denitrification starting from the nitrite? (5) What is the spatial and temporal variation of nitrite accumulation and related to N2O emissions in farmers' practices? The objectives of this study are to reveal the mechanisms of N2O production by the nitrite accumulation and remove, and to provide fundamental basis for formulating N2O mitigation measures in calcareous soils.

农田土壤施肥是最大人为N2O排放源，理解农田土壤N2O产生机制是制定有效减排措施的前提。在课题组多年来对华北石灰性低碳土壤N2O排放特征、过程和影响因素研究的基础上，本项目应用静态培养-气相色谱系统、连续自动培养测定系统、15N示踪技术、微生物分子技术，结合田间原位测定技术，进一步研究：（1）在华北石灰性潮土发现的现象是否在我国其他石灰性土壤也存在？（2）石灰性土壤亚硝态氮积累和消除机制是什么？（3）这种土壤亚硝态氮积累和消除与N2O排放之间数量关系如何？（4）哪些微生物参与了土壤亚硝态氮积累？积累的亚硝态氮是通过自养硝化作用或硝化细菌的反硝化作用，还是通过起始于亚硝态氮的真正的异养反硝化作用消除？（5）农户田间实际施肥方式土壤亚硝态氮积累时空变异及其与N2O排放的关系？以揭示石灰性土壤亚硝态氮积累和消除对N2O 产生的作用机制，为制定石灰性土壤N2O的减排措施提供科学依据。

对于我国北方旱作石灰性土壤中是否普遍存在N2O排放与亚硝态氮累积耦合现象，亚硝态氮累积和消除机制是什么，亚硝态氮累积与N2O排放之间的数量关系如何，有哪些微生物参与，施肥方式如何影响以上两过程不清楚。因此，选取华北平原潮土和另外七种典型土壤为研究对象，应用连续自动培养系统（Robot），研究不同碳氮底物添加对O2、CO2、NO、N2O和N2动态变化的影响；利用分子生物学技术，定量土壤N2O排放过程中相关功能基因的表达；利用15N标记技术，研究不同土壤氮素初级转化速率及N2O产生途径；结合田间观测，研究施肥方式对亚硝态氮累积和N2O排放的影响。主要结果如下：.（1）北方石灰性土壤添加铵态氮后，强氨氧化过程加速O2的消耗，累积亚硝态氮并产生大量N2O，且两者数量成正比；等量亚硝态氮和铵态氮添加时，亚硝态氮产生更高的N2O；酸性土壤添加铵态氮后，没有明显的亚硝态氮的累积和N2O产生；厌氧条件铵态氮和亚硝态氮共存时，发生明显的厌氧氨氧化过程。（2）添加碳源会造成土壤中的低氧或厌氧微域，启动反硝化作用，释放大量N2O和N2，且碳氮比越高，生成的气态产物中N2比重越大；秸秆能够促进硝酸盐的异化还原。（3）在北方旱作石灰性土壤上，硝化抑制剂DMPP通过抑制自养硝化过程和降低硝化产物中N2O的比重来实现N2O减排。（4）石灰性潮土在好氧条件下，铵态氮添加促进氨氧化细菌amoA基因表达，且有亚硝态氮的短暂累积；随着O2浓度的降低，启动部分反硝化功能基因表达，进一步增强N2O排放；乙炔显著减缓铵态氮向硝态氮的氧化过程，降低亚硝态氮的累积，减少N2O的排放；添加葡萄糖显著促进了nosZ基因表达，增大了气态产物中N2的比重。（5）田间条件下，撒施氮肥会产生大量N2O并伴随亚硝态氮的累积，硝化抑制剂DCD减少N2O排放的同时增加了NH3挥发；条施覆土显著降低NH3挥发，但在施肥带上发现了亚硝态氮累积和N2O的排放，其trade-off效应值得进一步研究。本项目揭示了石灰性土壤亚硝态氮累积和消除对N2O产生的作用机制，为制定N2O减排措施提供科学依据。