促进南方红壤丘陵区农业可持续发展的复合农业生态系统研究

系统解析驱动稻田 N₂O 和 CH₄排放关键过程的微生物作用机理，为我国农田温室气体减排提供重要的科学依据。

由产甲烷菌和甲烷氧化菌参与的 CH₄产生和氧化过程在很大程度上决定了土壤 CH₄排放量；而反硝化作用作为氮循环的一个重要环节，是由土壤中具有反硝化能力的微生物所调控的生物化学过程，也是温室气体 N₂O 排放的主要途径之一。因此，了解CH₄和 N₂O 产生和转化过程的微生物作用机理对于今后的合理施肥以及控制温室气体排放起着至关重要的作用。

中期晒田（落干）是稻田管理过程中重要的农艺措施，稻田淹水-落干过程排放大量 N₂O，水稻土含水量为 80% 土壤孔隙含水量（water-filled pore space，WFPS）时 N₂O 释放量最大，含水量在 60% WFPS 时细菌比真菌对 N₂O 排放的贡献要大。接着采用典型水稻土进行了淹水-落干和干湿交替过程的室内模拟试验，结果发现，淹水-落干过程中氧化还原电位（electric potential，Eh）的变化与 N₂O 释放动态显著相关明确了氧化还原点位是调控 N₂O 排放的主导因子。淹水-落干过程中 N₂O 的释放量主要是细菌作用产生，真菌的贡献只占 10% 左右。narG 基因丰度和组成与土壤 Eh 和 N₂O 排放速率间呈显著相关，而 nosZ 基因没有这种相关性。这表明水稻土淹水-落干过程中含 narG 基因的微生物种群组成和数量是驱动 N₂O 排放的关键反硝化微生物种群，而含 nosZ 基因的微生物种群与 N₂O 排放动态并无直接关系。在此基础上，进一步通过设计土壤培养试验，系统研究了典型水稻土淹水-落干过程中 N₂O 产生、转化与释放的关键微生物驱动机制。结果表明，在水稻土落干过程中 0—3 cm土层是 N₂O 排放的主要来源，落干过程中的硝化微生物与反硝化微生物的协同作用是导致表土层产生和释放大量 N₂O 的关键微生物驱动机制。

在淹水-落干过程中水稻根系生长显著提高了根际区域 N₂O 排放速率，而在 N₂O 排放过程中水稻根际区域土壤氨氧化细菌和含 narG 的硝酸还原菌的数量显著增加。这说明落干过程中根际土壤比非根际土壤能释放更多的 N₂O 可能是由于根系生长导致了根际区域有更强硝化和反硝化微生物协同作用的结果。通过功能基因的高通量测序分析进一步证实，根际土壤的β-变形菌纲（Betaproteobacteria）等反硝化种群丰度显著高于非根际土壤，且不同水分条件和不同采样时期均表现出同样的趋势。这说明水稻根际环境可能会刺激这些反硝化细菌的活性，从而增加土壤 N₂O 释放潜势。

磷肥施用促进土壤 CH₄排放，而氮肥显著提高了土壤 N₂O 排放。稻草还田处理会增加土壤 CH₄和 N₂O 排放。施肥显著改变了土壤 CH₄和 N₂O产生、转化相关关键功能微生物种群结构、丰度（DNA 水平）和表达种群结构及丰度（mRNA 水平），尤其是其表达结构，对施肥响应更加敏感。不同施肥制度影响土壤 CH₄和 N₂O 产生与转化可能主要是通过改变相关功能微生物的表达特征调节土壤 CH₄和 N₂O 的产生、转化，从而控制土壤 CH₄和 N₂O 的排放量。

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