茶园土壤N_2O排放特征及其微生物机制研究

【摘要】氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体。它参与各种光化学反应、破坏臭氧层,并且在大气中滞留时间较长,对人类居住环境和地球生物构成很大威胁。农田土壤是全球最主要的N2O排放源,对N2O排放的贡献率高达70%-90%。茶园土壤广泛分布于中国南方丘陵地区,由于大量施用氮肥,土壤严重酸化并伴随着大量N2O排放。石灰、不同形态氮肥、硝化抑制剂的施用等茶园施肥措施会影响土壤氮素循环相关微生物活性从而影响N2O排放。迄今,国内外对于N2O的研究主要针对于农田、稻田系统,而对我国茶园土壤N2O排放的研究尚不多见。本论文选取杭州市西湖区梅家坞茶园土壤为研究对象,利用田间调查与实验室培养的方法,综合运用传统和现代微生物分析技术(包括定量PCR、克隆文库和末端限制性片段长度多态性),结合茶园施肥措施对强酸性茶园土壤的N2O排放来源及其微生物机制等方面进行了较系统的研究,获得以下主要研究结果：1茶园土壤(3年、50年和100年)主要理化性质土壤酸度、有机质、全氮、硝氮、氨氮和有效磷含量随植茶年龄的增加而显著增加,均以100年茶园土壤最高。50年和100年茶园土壤的净硝化速率较大,分别为0.99和0.79mg/kg·d,100年茶园土壤的反硝化潜势为10.5mg/kg·h,显著高于其余土壤；添加不同氮肥与硝化抑制剂的研究表明：不同处理以单施硝酸钾产生的N2O最高,为0.87mg/kg,是单施硫酸铵的7倍。硝酸钾与硝化抑制剂混施对N2O排放的抑制效果不显著,而硫酸铵与抑制剂结合可显著降低硝化势和N2O排放。对不同处理编码N2O还原酶的nosZ基因的定量结果表明,添加硝态氮处理的nosZ基因丰度显著低于其余处理；对茶园土壤中添加不同氮肥种类(硝酸钾、硫酸铵、尿素、硝酸铵、对照)的研究表明,硝酸钾处理N2O排放总量最高,为744.8ng/g,是对照的16倍；尿素、硫酸铵处理的土壤硝化潜势显著高于硝酸钾处理,而N2O排放量却显著低于后者；通过添加石灰将pH为3.71的强酸性茶园土壤调至5.11、6.19、和7.41三个梯度,并结合施用硫酸铵的实验结果表明：添加硫酸铵以后,pH为7.41的土壤硝化势比pH3.71的土壤提高了88%,N2O释放量是pH为3.71土壤排放的7.3倍。添加硫酸铵和乙炔后,pH7.41土壤的硝化势和N2O分别降低了91%和93%,而pH3.71的土壤虽然硝化势降低了79%,但N2O释放量与未添加乙炔处理的N2O释放量差异不显著。以上实验结果表明：中性茶园土壤中硝化作用是产生N2O的主要来源,而强酸性茶园土壤中,反硝化作用是N2O排放的主要来源,并且在低pH条件下,NO3-对nosZ基因丰度具有一定的抑制作用。2通过’5N同位素示踪的研究表明,经过3天和7天的好氧培养,反硝化作用释放的15N-N2O分别占总15N-N20排放的71.1%和78.9%,自养硝化对15N-N20的贡献率分别为23.7%和17.8%。用乙炔抑制法测定反硝化和异养硝化的贡献率分别为80.6%和88.9%,自养硝化作用对总N20排放的贡献率分别为19.4%和11.1%。进一步说明强酸性茶园土壤中N20排放主要来源于反硝化作用。3通过向施石灰土壤中添加不同浓度硝酸钾的研究表明,不同pH(3.71,5.11,6.19和7.41)茶园土壤以pH3.71土壤添加1000mg/kg的硝酸钾时,净N20排放量最大,是其余pH土壤的21.1-65.2倍。利用乙炔抑制不同pH土壤的N20还原过程,pH3.71-6.19这三个酸性土壤被还原的N20占总N20的89%-99%,显著高于pH为7.41的土壤。说明在供试强酸性茶园土壤中,N20大量排放与低pH抑制N20还原过程这一机制无关。通过TRFLP和克隆测序,本文在pH3.71-5.11的克隆文库中找到的耐酸反硝化微生物在前人的研究中同样存在于酸性土壤中。说明这些反硝化微生物在酸性茶园土壤中可能具有很高的活性,强酸性茶园土壤大量N20排放主要与反硝化微生物长期以来对酸性环境的适应机制有关。4通过添加真菌和细菌的生物抑制剂-放线菌酮和链霉素,发现茶园土壤中真菌反硝化作用对N20排放的贡献率为70%。因此茶园土壤中真菌反硝化作用值得深入研究。随后,我们利用孟加拉红培养基在pH为3.8的茶园土壤中分离出了2株耐酸的反硝化真菌,根据其18SrDNA测序分析,鉴定二者分别为青霉菌和肉座菌。其中,青霉菌在液体培养基中的N20排放量高达328mg/kg’g菌株干重,占加入的N03–N的16.4%。我们将活性较强的青霉菌接种到γ射线灭菌的土壤中,培养前3天,添加硝酸钾的N20释放速率显著高于未灭菌土壤。上述结果揭示了茶园土壤中N20排放很可能与真菌的反硝化作用密切相关。
【作者】黄莹；
【导师】王光火；姚槐应；
【作者基本信息】浙江大学，农业资源利用，2014，博士
【关键词】茶园土壤；施肥管理措施；N2O排放；反硝化作用；反硝化微生物；15N示踪法；乙炔抑制法；真菌反硝化作用；青霉菌；

【参考文献】
[1]杨婧逸.抗日战争时期的重庆广播研究[D].重庆工商大学,传播学,2014,硕士.
[2]王芹.理查德·怀特莱的谬误理论研究[D].华南师范大学,逻辑学,2004,硕士.
[3]张林静.河南省承接产业转移问题研究[D].郑州大学,区域经济学,2013,硕士.
[4]单洪玲.淀粉纳米颗粒的制备及其作为药物载体的研究[D].东北师范大学,高分子化学与物理,2012,硕士.
[5]杨薇.《猩球崛起》:模糊具象和末世情结下的现代性焦虑[J].当代电影,2014,12:188-190.
[6]陆斌.用新规则审视男子跳马发展趋势及我国男队面临的挑战[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[7]李芮.纺织加工用纳米材料[J].印染,2009,01:52-54.
[8]刘宇.长沙市人才引进的问题和对策研究[D].湖南师范大学,公共管理（专业学位）,2012,硕士.
[9]吴雅菲.超声在鼻和鼻窦良恶性肿瘤诊断中的价值[D].广西医科大学,影像医学与核医学（专业学位）,2013,硕士.
[10]王昕宇.祥云项目开发建设风险管理[D].北京工业大学,项目管理（专业学位）,2013,硕士.
[11]高银军.Graphene制备、表征以及Raman光谱对退火效应的研究[D].中国科学技术大学,2009.
[12]韩笑.自我的冲突——《红玫瑰与白玫瑰》中佟振保形象的心理学分析[D].吉林大学,中国现当代文学,2004,硕士.
[13]吴泓润.基于演化博弈仿真的民族和谐机理研究[D].中南民族大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[14]徐川川.滞后输出反馈及其在航天器交会中的应用[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[15]王芳国.高寒草甸土壤纤毛虫群落对施用不同浓度梯度氮肥的响应[D].西北师范大学,生态学,2013,硕士.
[16]陈龙.当代中国企业竞争伦理研究[D].河北师范大学,伦理学,2013,硕士.
[17]曹国栋,周晓.IBM微型计算机与PLC的联网和通讯[J].冶金自动化,1992,01:35-38+64.
[18]陈艳玲.健康中国成人概率性弥散张量成像脑图谱及白质纤维束图谱的建立[D].复旦大学,医学信息学,2012,硕士.
[19]李刚.车辆模型转向盘角阶跃输入运动的仿真研究[D].大连理工大学,车辆工程,2004,硕士.
[20]刘进.《韩非子》论晋国[D].山西师范大学,专门史,2014,硕士.
[21]梁玉洁.Bi_2E_3（E-S，Se）纳米材料的水热/溶剂热合成与表征[D].杭州师范大学,有机化学,2013,硕士.
[22]杨华文,蔡晓丰.城市风貌保护经验的借鉴与启示[J].国外城市规划.2005(06)
[23]欧阳军,马稳,沈钧毅,史保怀.广义关联规则及算法研究[J].计算机工程与应用,2002,20:201-204.
[24]郭祥.我国保险公司经济资本管理研究[D].对外经济贸易大学,金融学,2014,博士.
[25]潘从涛.基于离子液体碳材料的制备与表征[D].苏州大学,2013.
[26]张世蓉.广告语中模糊语言的语用分析[D].西北师范大学,英语语言文学,2003,硕士.
[27]许欣.景区依赖型“农家乐”游客满意度研究[D].浙江大学,2007.
[28]刘江敏.含大规模新能源发电的电力系统可靠性分析[D].燕山大学,高电压与绝缘技术,2014,硕士.
[29]丘文龙.基于Petri网的工作流建模方法与验证研究[D].南昌航空大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[30]朱冰春.烟酸的绿色合成与催化剂研究[D].浙江工业大学,工业催化,2004,硕士.
[31]李芳.过程工业中关联规则采掘的研究与应用[D].北京化工大学,2002.
[32]马雪.建国初十七年中国共产党政权建设研究[D].曲阜师范大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[33]陈超.气候及其变率变化对黄淮海平原冬小麦生产影响的模拟研究[D].南京气象学院,气象学,2004,硕士.
[34]周凤星,程耕国,高立新.高速线材轧机机械故障诊断系统[J].冶金自动化,2001,05:63-65.
[35]顾伯声.谈城轨交通的共线运行[J].现代城市轨道交通.2004(05)
[36]姚启凤.拮抗针法配合康复治疗脑梗死后上肢痉挛性偏瘫的临床疗效观察[D].黑龙江中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.
[37]马欣.北京市（11-15岁）垒球运动后备人才培养现状分析[D].首都体育学院,体育教学,2013,硕士.
[38]匡宏印.基于FPGA的多通道双频数字化接收机研制[D].哈尔滨工业大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[39]阿力古恩.阿拉善荒漠梭梭林大沙鼠防治与危害状况研究[D].内蒙古农业大学,草业科学,2013,硕士.
[40]周昊.新闻记者在采访中的人际关系平衡研究[D].渤海大学,新闻学,2014,硕士.
[41]刘小云.脐血间充质干细胞在移植物抗宿主病中的免疫调节作用及机制的研究[D].华中科技大学,内科学,2013,硕士.
[42]李梦佳.中国民生银行信用卡市场营销策略研究[D].北京交通大学,2014.
[43]拉宗.乳腺癌微环境中免疫细胞与肿瘤血管新生相关性研究[D].吉林大学,病理学与病理生理学,2013,硕士.
[44]戴艾.一词多义的认知语言学研究[D].四川外国语大学,法语语言文学,2013,硕士.
[45]黄娟.毛纶、毛宗岗叙事理论研究[D].湖南师范大学,文艺学,2004,硕士.
[46]曹建华.基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究[D].清华大学,动力工程及工程热物理,2013,硕士.
[47]张建宾.可见光响应负载型光催化剂Er~(3+)：YAlO_3/TiO_2-SAC的制备与光催化性能研究[D].吉林大学,环境工程,2013,硕士.
[48]刘永君.国土资源建设用地信息管理系统设计与实现[D].厦门大学,软件工程,2014,硕士.
[49]郭树恒.填充金纳米线的单壁碳纳米管力学性能的研究[D].复旦大学,2010.
[50]孙润生.中国跨境贸易人民币结算研究[D].首都经济贸易大学,国际商务（专业学位）,2013,硕士.