水旱輪作稻田土壤厭氧氨氧化及其影響因素的研究.pdf

1、目前，厭氧氨氧化(Anammox)過程作為公認的脫氮途徑，廣泛存在缺氧的自然環(huán)境中，但它在稻田土壤氮素循環(huán)的作用和地位仍缺乏深入了解。本項研究在借鑒國內(nèi)外在陸地生態(tài)系統(tǒng)中Anammox活性等方面的研究成果的基礎(chǔ)上，以水旱輪作稻田土壤Anammox過程為主線，聯(lián)合室內(nèi)培養(yǎng)和長期定位肥料試驗基礎(chǔ)，運用15N同位素示蹤技術(shù)、熒光定量PCR、DNA-SIP、克隆文庫和高通量測序等先進技術(shù)，探究水旱輪作體系土壤Anammox對氮氣產(chǎn)生的貢獻、An

2、ammox微生物豐度和群落結(jié)構(gòu)及其影響因素等。主要研究結(jié)果如下:
　　1)結(jié)果表明:無論是小麥季還是水稻季均檢測到了Anammox活性，而且種植季節(jié)之間存在顯著差異，其中水稻季Anammox速率為0.96 nmol N2·g-1·h-1，小麥季為0.46 nmol N2·g-1·h-1，不同施肥處理之間差異不顯著。從全年來看，水旱輪作過程中土壤中通過Anammox反應(yīng)流失的氮含量占總氮氣生成量的3.15％-9.62％。進一步對An

3、ammox細菌豐度進行分析，發(fā)現(xiàn)水稻和小麥季均測檢到了高豐度的Anammox細菌，長期不同施肥處理條件下Anammox細菌的豐度表現(xiàn)為:豬糞堆肥配施化學(xué)肥料(PMCF)＞秸稈還田配施化學(xué)肥料(SRCF)和化學(xué)肥料(CF)＞不施肥(CK)。Anammox肼合成酶β亞基(hzs-β)基因序列分析表明，在水稻種植季節(jié)，Anammox細菌與Ca.Brocadia，Ca.Scalindua和Ca.Jettenia屬同源性較高。相比之下，所有的An

4、ammox肼氧化酶(hzo)基因僅與Ca.Brocadia屬表現(xiàn)出較高的同源性，表明hzs基因比hzo基因有更高的敏感性。PMCF處理中的序列與Ca.Jettenia和Ca.Brocadia有較高的同源性，并顯示出最高的多樣性。
　　2)通過實驗室培養(yǎng)實驗研究了不同有機碳源(無外源碳施用(CK)、施用尿素(UR)、施用秸稈(SR)、施用豬糞(PM)、施用淀粉(ST)和施用葡萄糖(GL))對Anammox過程和活性的影響。結(jié)果顯示，

5、添加不同有機碳源進行培養(yǎng)之后，Anammox過程的氮氣產(chǎn)生速率和對氮氣的貢獻率在1.04-3.19 nmol N2·g-1·h-1和4.22％-22.25％。雖然所有處理中均能檢測到Anammox活性，但各處理產(chǎn)生氮氣量不同，CK處理Anammox速率最高，其他添加有機碳源之后的Anammox速率較低，差異顯著，說明有機碳源的添加對Anammox活性具有顯著的抑制作用，同時有機碳對反硝化活性具有顯著的促進作用。碳源添加對Anammox速

6、率的影響如下:GL＞ ST，UR＞ SR。定量PCR結(jié)果表明，不同有機碳源均對Anammox微生物豐度具有一定的抑制作用，但PM處理對Anammox豐度的影響最小。選取活性最高的PM和CK處理的13C-Anammox肼合成酶β亞基（hzs-β）功能基因序列進行DNA-SIP分析，發(fā)現(xiàn)活性厭氧氨氧化細菌與Ca.Brocadia屬具有較高的同源性。
　　3)利用長期定位試驗土壤，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了不同水分狀態(tài)及溶解氧濃度(70％

7、 FC、干濕交替(淹水7天，落干7天)、淹水Ⅰ:溶解氧濃度為5.8mg·L-1、淹水Ⅱ:溶解氧濃度為2.6 mg·L-1)對土壤Anammox過程的影響。結(jié)果表明，Anammox速率范圍在0.56-1.47 nmol N2·g-1·h-1之間。70％田間持水量(70％FC)處理中的Anammox速率最低(0.61 nmol N2·g-1·h-1)，淹水Ⅱ處理最高(1.14 nmolN2·g-1·h-1);說明溶解氧含量較高時會降低Ana