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《“稻田土壤氮保留和氮损失影响因素及驱动机制”方面取得成绩》

  • 来源专题：生物育种
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2024-10-22

  •     水稻作为全球近一半人口的主粮，全球种植面积超过1.55亿公顷。氮素（N）一直是限制水稻产量的关键因素，我国水稻氮肥年投入量630万吨，约占全球水稻氮肥用量的三分之一。稻田土壤中各氮素转化过程的速率决定了土壤氮素水平的高低。然而目前稻田土壤N保留以及N损失速率的大尺度分布规律及驱动因素尚不明晰。

        为了回答上述问题，南京土壤所研究员颜晓元团队采集了全国主要稻区的土壤样品，研究了全国水稻土壤中自生生物固氮、反硝化、厌氧氨氧化（Anammox）、硝酸盐异化还原成铵（DNRA）以及净N2排放速率的空间变异规律及其关键影响因素。研究结果表明，稻田土壤可能是自生生物固氮的热区，其潜势比DNRA潜势高出10倍。经度、有机碳浓度以及固氮微生物群落组成和多样性是影响自生生物固氮潜势的关键因素。宏基因组组装基因组（MAGs）预测生物固氮代谢途径发现固氮基因nifH与反硝化相关基因（nirS/K和nosZ）以及有机碳氧化相关基因（yiaY和galM）具有显著共现性，表明固氮微生物在稻田土壤中具有异养能力。由于生物固氮是一个高耗能的过程，固定一个氮气分子需要16个ATP，在厌氧条件下，自生固氮菌可以利用硝酸盐作为厌氧呼吸的末端电子受体，通过结合有机碳氧化获得能量。上述结果表明有机碳氧化与硝酸盐还原耦合对增强稻田土壤自生生物固氮具有重要作用。

        与自生生物固氮速率分布不同，稻田N2排放速率没有显著的区域差异，但是不同水稻种植方式显著影响了N2排放速率。水旱轮作和单季稻土壤的N2排放速率显著高于双季稻土壤。除此之外，稻田土壤N2排放速率与土壤pH之间呈单峰关系，N2O还原菌和土壤性质是调节区域N2排放速率差异的主要因素。稻田土壤nosZ Clade I和Clade II中具有显著的生态分化，而土壤pH是驱动其群落组成变化的关键因素。具体而言，在水旱轮作种植下，土壤水分和pH显著影响了nosZ Clade I型反硝化菌的丰度和组成，而在双季稻种植模式下，土壤质地和pH是影响nosZ Clade II型反硝化菌的丰度和组成的主要因素，从而驱动了N2损失。这些发现加深了我们对稻田生态系统 N2损失动态的理解，强调了N2O 还原微生物在稻田N2损失中的关键作用，表明平衡 N2O还原过程和 N2O产生过程可能是未来减缓N2O排放和减少N2损失的重要策略。

    以上研究成果已发表在“Soil Biology and Biochemistry”和“Science of the Total Environment”期刊上。该研究工作得到了国家自然科学基金的资助。

  • 原文来源：http://www.ebiotrade.com/newsf/2024-10/20241009065123575.htm
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  • 《稻田土壤铁-氮耦合的微生物机制取得重要进展》
    • 来源专题：农业立体污染防治
    • 编译者：金慧敏
    • 发布时间：2014-12-18
    • 　　稻田土壤是一种典型的人工湿地系统，其周期性的干湿交替导致了系列的氧化还原反应。由于稻田土壤的这一特性以及丰富的铁（Fe）含量，异化Fe(III)还原现象普遍存在于淹水稻田土壤中，并被认为可调控其他元素的生物地球化学过程。施氮（N）肥（尿素或氨）是人们为了维持稻田土壤肥力和增加水稻产量的一种重要农业管理措施。已有研究表明，在其他生境，如湿地和热带森林土壤中发现异化Fe(III)还原与N元素循环之间存在联系，然而人们对稻田土壤中微生物介导的异化Fe(III)还原与N元素循环相耦合的过程知之甚少。 　　鉴于稻田土壤在全球农业生产和生态环境功能中的突出地位，中科国学院生态环境研究中心朱永官课题组对我国稻田土壤中的Fe-N耦合过程进行了一系列研究。首先，他们选取我国南方第四纪红土母质发育的稻田土壤，通过室内泥浆厌氧培养手段，以13C-乙酸盐为底物，分别添加水铁矿和针铁矿作为唯一末端电子受体，采用基于rRNA的稳定性同位素探针（rRNA-SIP）结合基于16S rRNA的454高通量测序技术，研究了长期施N肥（尿素）对稻田土壤中依赖于乙酸盐同化的Fe(III)还原微生物群落的影响。他们首次揭示了长期施N肥能够促进稻田土壤中Fe(III)还原过程以及改变依赖于乙酸盐的Fe(III)还原细菌的群落结构。此外，他们还发现尽管不同形态的铁矿对Fe(III)还原细菌的类群具有选择性，水铁矿和针铁矿的添加均刺激了两种土壤中Geobacter属的增长，且长期施氮肥导致其增长幅度更大。这些结果暗示着长期施N肥在微生物介导的稻田土壤Fe的生物地球化学循环中的重要性，强调了元素生物地球化学循环之间复杂的相互作用。这一研究成果发表在自然出版集团的The ISME Journal（Ding et al., ISME J., 2014, DOI: 10.1038/ismej.2014.159）上。随后，他们以一个第四纪红土母质发育的时间序列稻田土壤为对象，采用基于15N-NH4+（15NH4+）的稳定性同位素示踪以及乙炔（C2H2）抑制技术，首次证明了稻田土壤中存在铁氨氧化过程，即在厌氧条件下，以Fe(III)为电子受体，Fe(III)被还原为Fe(II)的同时铵（NH4+）被氧化为氮气（N2），或亚硝酸盐（NO2–），或硝酸盐（NO3–）的过程（图1），其中，直接生成N2是稻田土壤中铁氨氧化过程的主要途径。此外，他们还发现水稻耕作可提高土壤微生物可还原Fe(III)水平，促进铁氨氧化反应，从而刺激土壤中N损失，通过估算发现铁氨氧化过程造成的N损失约占我国氨肥田间施用量的3.9–31%，推测此过程是稻田土壤N损失的潜在重要途径之一，可能影响到对陆地生态系统氮素损失的估算。这一研究成果发表在Environmental Science and Technology（Ding et al., Environ. Sci. Technol., 2014b, DOI: 10.1021/es503113s）上。
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  • 《南京土壤所在稻田甲烷产生机制及减排丰产研究方面取得进展》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2024-04-26
    •     据国际能源署(IEA)的研究表明，甲烷的温室效应是二氧化碳的80多倍，对全球变暖的贡献率高达30%。如果在未来30年内减少50%的甲烷排放，将有助于在2050年前让全球平均气温下降0.2℃。稻田是大气重要的甲烷排放源，约占全球人为甲烷总排放量的10%。碳达峰碳中和背景下，随着化石能源逐步被清洁能源替代，稻田甲烷排放占全球人为甲烷的比重也将随之增大，其减排的紧迫性和重要性将日益凸显。我国是水稻生产大国，水稻耕作模式复杂多样，稻田甲烷产生机制及其减控措施受诸多因素影响，有针对性的探明其过程机理及减排措施，将有利于水稻丰产下深入挖掘稻田甲烷减排潜力并提出区域适应性强的减排丰产协同技术模式。     为此，南京土壤研究所研究员徐华团队通过稳定性碳同位素自然丰度法、生命周期评价法和模型模拟等方法手段，揭示了我国三大典型稻田系统[双季稻、稻麦轮作、冬水田（又称常年淹水稻田，是我国甲烷排放量最大的一类稻田，主要分布于我国西南丘陵山区）]土壤甲烷产生（产生潜力、产生途径及产甲烷菌）的时间变化规律及其差异机制（Zhu et al., 2023, BFS），发现：双季稻和稻麦轮作的乙酸产甲烷途径（fac）随水稻生长变得越来越重要并在成熟期占主导地位，这可能是由于甲烷鬃毛菌属相对丰度的增加所致，而冬水田的fac在分蘖期和成熟期都占主导地位，可能与乙酸含量和甲烷八叠球菌属代谢活性的变化有关；进一步研究结果表明，双季稻、稻麦轮作和冬水田的甲烷产生潜力、fac及产甲烷菌群落组成主要受控于土壤pH、土壤质地或SOC含量等性质（Shen et al., 2023, JGR）；而且冬水田的甲烷产生潜力、fac及产甲烷菌mcrA功能基因丰度随土壤水分含量（水土比0.5-1.5）的增加而显著增加，明显不同于双季稻和稻麦轮作，这说明不同水分含量土壤的甲烷产生强烈受控于土壤历史水分状况（Shen et al., 2024, STR），也暗示了冬水田甲烷产生对水分管理的响应更为敏感。因此，通过充分排水来尽量降低土壤水分含量是深入挖掘冬水田甲烷减排潜力的有效途径。      然而，不科学的水分管理会导致水稻容易遭受季节性干旱而减产，甚至可能绝收，这严重阻碍了排水措施减少冬水田甲烷排放的推广应用。而节水抗旱稻较常规水稻品种具有更强的节水耐旱能力，能在灌溉用水量少甚至雨养条件下种植，即使水稻遭遇到较明显旱情，节水抗旱稻依旧能相对保持高产稳产。因而，将冬水田排水后种植节水抗旱稻应该会有减排丰产协同的预料收获。连续4年的研究结果证实了这一科学假设：冬水田雨养后，种植节水抗旱稻较常规水稻具有更低的甲烷排放量和更高的水稻产量，且这种现象在降雨量相对较小的年份更加明显（Zhang et al., 2023, FCR）；水稻种植改雨养条件为覆膜栽培尽管会显著增加稻田甲烷排放，但也大幅提高水稻产量，而且使得稻田的净生态系统经济效益（NEEB）扭亏为盈，增幅达3500-6000元/公顷，覆膜下种植节水抗旱稻较常规稻进一步增加NEEB约950元/公顷（Zhang et al., 2024, RCR）。这表明，在降雨较少或灌溉条件较差的地区种植节水抗旱稻在生产实践上具有良好的减排丰产效果以及经济可行性，值得推广应用。但是在全年降雨量较大的南方双季稻区，又如何实现减排丰产共赢呢？基于DNDC和DAYCENT模型模拟发现，改冬季抛荒稻田（不排水、不翻耕）为排水翻耕稻田，预计可降低稻田甲烷排放13-37%且不影响水稻产量（Guo et al., 2023, Geoderma），是实现双季稻区甲烷减排和水稻丰产协同的有效管理措施。
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