熱線:021-66110810,66110819
手機:13564362870
熱線:021-66110810,66110819
手機:13564362870
研究簡介:水稻土是大氣中一氧化二氮(NO)的重要人為來源,一氧化二氮是一種強大的溫室氣體,也是平流層臭氧消耗的主要催化劑。鐵斑塊位于水稻土的根-土界面,位于好氧和厭氧微環(huán)境之間的邊界,使其能夠連接水稻土中的氧化還原過程。盡管土壤氮循環(huán)與Fe的生物地球化學的耦合已被廣泛報道,目前尚不清楚Fe和N循環(huán)的耦合在多大程度上促進了水稻土壤的NO排放。需要這些信息來制定稻田N2O減排戰(zhàn)略。本論文主要研究了水稻根系鐵膜(Fe plaque)對水稻田土壤N?O排放的影響及其機制。研究發(fā)現(xiàn),鐵膜通過Fe(II)氧化耦合反硝化作用顯著增強了N?O排放,鐵膜的存在使N?O和N?的排放量增加一倍,并且在根際土壤中促進了鐵氧化還原細菌和反硝化功能基因的豐度。實驗表明,在水培條件下,鐵膜僅在NO??存在時促進N?O排放,而在NH??存在時則無此效應。此外,螯合鐵膜中的Fe(II)可消除其對N?O排放的促進作用,而向無鐵膜的根系添加Fe(II)則會增加N?O排放。微生物群落分析顯示,鐵膜顯著改變了根際微生物群落結構,增加了與鐵循環(huán)相關的細菌相對豐度,如Thermomonas、Pseudomonas和Thiobacillus等,這些細菌也與土壤中N?O的產(chǎn)生和還原有關。鐵膜處理的微生物群落具有更高的N?O排放潛力,表現(xiàn)為更高的nirS/nosZ基因比值。研究表明,鐵膜通過Fe(II)氧化耦合反硝化作用促進了N?O排放。這一發(fā)現(xiàn)表明,鐵膜是水稻田土壤中N?O排放和氮損失的“熱點”。為了減少水稻田土壤中的N?O排放和氮損失,需要考慮限制鐵膜的影響??赡艿墓芾泶胧┌ㄊ┯昧追室詼p少鐵膜形成,以及通過增加土壤pH值和O?濃度(如石灰化和排水)來降低可溶性Fe(II)的可用性。
Unisense微電極系統(tǒng)的應用
Unisense微電極系統(tǒng)被用于研究水稻根際土壤中pH和溶解態(tài)N?O濃度的空間分布動態(tài)。在水稻根際土壤中,Unisense微電極用于監(jiān)測從根際中心到相鄰非根際區(qū)域(0–6厘米)的溶解態(tài)N?O濃度和pH值的變化。unisense微電極系統(tǒng)通過監(jiān)測根際土壤中N?O和pH的微尺度變化,研究人員能夠驗證鐵膜是否通過影響根際微環(huán)境來促進N?O的排放。
實驗結果
結果表明,F(xiàn)e斑塊通過Fe(II)氧化耦合反硝化作用增強了水稻土壤中的N2O和N2的排放??紤]到Fe斑塊廣泛存在于濕地植物的根部,有必要考慮Fe斑塊在預測N2O通量和制定濕地土壤有效緩解策略方面的促進作用。旨在減少Fe斑塊形成和可溶性Fe(II)可用性的田間管理可能會削弱Fe斑塊對濕地土壤NO排放和N損失的促進作用。首先,先前曾報道磷酸鹽缺乏會誘導Fe斑塊。因此通過施用磷肥來緩解磷酸鹽缺乏癥可以通過減少Fe斑塊的形成來減輕Fe斑塊誘導的N2O排放。其次,據(jù)報道,可溶性Fe(II)濃度隨著pH值和臭氧濃度的增加而降低。因此Fe(II)氧化耦合反硝化作用對N2O排放的增強也可以通過旨在提高土壤pH值和臭氧濃度的田間管理(例如,通過石灰和排水)來緩解。
圖1、無和有鐵斑塊的水稻土壤中水稻根系鐵含量(a)、NO和Nemission速率(b和c)以及NO/(NOtN)生產(chǎn)比(d)的時間動態(tài)。IP和CK分別代表存在和不存在Fe斑塊的水稻幼苗。
圖2、鐵斑塊對水稻土中pH值(a)和溶解性N2O濃度(b)的空間動力學影響,沿根際中心到相鄰的非根際方向(土壤深度:3.5 cm)。將水稻幼苗移栽到水稻土中后第5天測定pH值和溶解N2O濃度。IP和CK分別代表存在和不存在Fe斑塊的水稻幼苗。
圖3、鐵斑對水培條件下N2O排放的影響。(a)在有氧環(huán)境(21%氧氣)下,裝有1.25 mmol硝酸根或銨離子溶液的血清瓶中頭空間N2O濃度的隨時間變化情況;(b)在無氧環(huán)境(高純氦氣)下,裝有1毫摩爾硝酸根且經(jīng)過滅菌或新鮮的IP根的血清瓶中頭空間N2O濃度;(c)在無氧環(huán)境(高純氦氣)下,裝有1 mmol硝酸根且有或沒有0.1毫摩爾EDTA-2Na溶液的血清瓶中頭空間N2O濃度的隨時間變化情況;(d)在無氧環(huán)境(高純氦氣)下,裝有1毫摩爾硝酸根且有或沒有0.6 mmol Fe(II)溶液的血清瓶中頭空間N2O濃度的隨時間變化情況;IP和CK分別代表存在和不存在鐵斑的水稻幼苗。
圖4、Fe斑塊對根際土壤和根表面amoA(a)、narG豐度(b)、nirK豐度(c)、nirS豐度(d)、nosZ豐度(e)和nirS/nosZ比值(f)基因豐度的影響。IP和CK分別代表存在和不存在Fe斑塊的水稻幼苗。數(shù)據(jù)代表平均SD(n 1/4 3),不同的字母表示兩種處理之間的顯著差異,p<0.05。
圖5、Fe斑塊對棲息在根(RM)和根際土壤(RS)的細菌群落組成的影響。(a)基于焦磷酸測序檢測到的OTU數(shù)量的微生物群落結構的非度量多維標度(NMDS)排序圖(插圖:CK和IP根際土壤的NMDS排序圖)。(b)典型Fereduction(紅色文本)和Fe氧化(黑色文本)細菌的相對豐度。IP和CK分別代表存在和不存在Fe斑塊的水稻幼苗。
結論與展望
鐵(Fe)斑塊,被定義為沉積在水稻根部表面的結晶度差的鐵氧化物薄膜,有可能介導稻田土壤中的N2O排放。本研究旨在測試鐵斑塊是否以及如何影響稻田土壤中的N2O生成和還原。通過培養(yǎng)水稻幼苗,使鐵斑塊存在或不存在。當鐵斑塊存在時,N2O和N2的排放量均翻倍,根際土壤中鐵氧化還原細菌和反硝化功能基因的豐度均升高。在水培條件下,鐵斑塊在有硝酸鹽(NO3?)存在時促進N2O排放,但在有銨離子(NH??)存在時則不促進。此外,螯合鐵(II)消除了鐵斑塊對N2O排放的促進作用,而向無鐵斑塊的根部添加鐵(II)則增加了N2O排放。這些結果表明鐵斑塊主要通過鐵(II)氧化耦合反硝化作用促進土壤N2O排放和氮素損失。研究結果表明,鐵斑塊是稻田土壤中N2O排放和氮素損失的熱點區(qū)域。減少稻田土壤中N2O排放和氮素損失應考慮限制鐵斑塊影響的方法。Unisense微電極系統(tǒng)在本文中發(fā)揮了重要的作用,通過高精度測量根際土壤中的溶解態(tài)N?O濃度和pH值,為研究鐵膜對N?O排放的影響提供了重要數(shù)據(jù)支持。其高空間分辨率和無損檢測能力使其成為研究微尺度環(huán)境變化的理想工具。