【摘 要】
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N2O是重要的温室气体之一,农田是大气N2O的重要排放源。作物根区作为根系-土壤-微生物相互作用最剧烈的微环境区域,不但是养分和水分从土壤进入植物系统的必经之路,也是农田土壤N2O产生的热点区域,在农田N2O排放中所占份额不容忽视。但是,由于研究方法所限,目前作物根区微域N2O排放的原位研究还鲜见报道。本研究以华北太行山前平原高产农田夏玉米为研究对象,以定量夏玉米根区-非根区土壤N2O排放、评估其
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N2O是重要的温室气体之一,农田是大气N2O的重要排放源。作物根区作为根系-土壤-微生物相互作用最剧烈的微环境区域,不但是养分和水分从土壤进入植物系统的必经之路,也是农田土壤N2O产生的热点区域,在农田N2O排放中所占份额不容忽视。但是,由于研究方法所限,目前作物根区微域N2O排放的原位研究还鲜见报道。本研究以华北太行山前平原高产农田夏玉米为研究对象,以定量夏玉米根区-非根区土壤N2O排放、评估其在农田N2O排放中的相对重要性、阐明根区土壤N2O排放机制为目标,基于中国科学院栾城生态农业试验站施肥制度长期定位试验,采用室内培养与大田试验相结合的手段,定量了不同施肥措施下根际-非根际、根区-非根区土壤N2O排放特征;并借助高通量测序、qPCR 土壤分子微生物学技术以及稳定同位素质谱仪等先进的分析技术,系统分析了影响农田N2O产生的关键土壤养分要素和微生物群落构成。以期探明长期不同施肥措施及不同地力水平下土壤根区和非根区土壤N2O排放通量的动态变化规律及其驱动机制。主要研究结果如下:（1）建立了旱地土壤根际微域N2O排放的原位测定方法。结合室内盆栽试验,利用该方法原位监测了长期不同施肥制度下玉米苗期根际-非根际土壤N2O排放通量,结果表明,根际土壤N2O排放通量显著高于非根际土壤,根际土壤排放的N2O占总排放量的60%（CK）;化肥配施有机粪肥（MNPK）、化肥配施秸秆肥（SNPK）和单施化肥（NPK）处理之间的土壤N2O排放量在统计学上无显著性差异,均显著高于对照（CK）处理;与其它施肥处理相比,MNPK处理的根际土壤N2O排放占比值最低,占总排放量的56%,表明施用有机粪肥可减少根际土壤N2O在农田土壤排放中的比例。（2）高地力土壤根区、非根区N2O浓度均显著高于低地力土壤;根区土壤产生的N2O浓度在排放高峰期显著高于非根区。通过构建N2O和底物硝态氮（NO3--N）δ15N自然丰度值的二元混合模型可知:无论根区还是非根区N2O的δ15N值均与底物NO3--N的δ15N值呈线性负相关关系,这表明在当前试验条件下NO3--N是N2O的重要来源,反硝化是N2O形成的主要过程。根区和非根区相比而言,根区土壤二元拟合方程R2值（0.7301）明显低于非根区（0.8425）,表明根区土壤N2O排放受还原过程的影响程度高于非根区土壤。（3）不同地力条件下根际土壤SOC、AN、AP、TP等养分指标均高于非根际土壤。增施氮肥显著提高了低地力土壤根际MBC含量却降低了其MBN含量,对高地力土壤根际MBN含量无显著影响,根际土壤与非根际土壤相比MBN含量提高20%-52%。通过土壤养分和酶活指标与N2O浓度的相关分析表明,土壤无机氮（NH4+-N、NO3--N）、DOC、胞壁酸以及氨基葡萄糖含量均与N2O浓度呈显著正相关关系;根区、非根区影响N2O排放的关键要素存在差别,非根区土壤C酶/P酶和N酶/P酶比值与N2O浓度呈显著正相关关系,根区土壤N2O浓度与MBN呈显著正相关关系,与MBP呈显著负相关关系。通过偏最小二乘回归分析可知:非根际土壤TN、AN、SOC、氨基葡萄糖和MBP指标对N2O排放具有“增强”效应;根际土壤TP、AN、胞壁酸、氨基葡萄糖、MBN指标对土壤N2O排放是“增强”效应外,MBP对N2O的排放是“减少”效应。（4）不同地力水平土壤施肥后均大幅度提升土壤硝化和反硝化功能基因丰度。土壤中N2O的浓度与氨氧化细菌amoA基因、nirS以及nosZ基因具有显著相关性,与nirK基因丰度无显著相关性。施用氮肥可显著提高土壤氨氧化细菌、含有nirS基因和nosZ基因的反硝化细菌丰富度和多样性。通过主成分分析可知:施肥和根际效应均会引起含有nirS基因和nosZ基因的反硝化细菌群落的变化。施用氮肥显著增加土壤氨氧化细菌中亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）的相对丰度、含nirS基因的反硝化细菌中β-变形菌纲的伯克氏菌科（Burkholderiaceae）相对丰度以及含nosZ基因的反硝化细菌慢生根瘤菌科（Bradyrhizobiaceae）的相对丰度。与非根际土壤相比,根际土壤中含nirS基因的反硝化细菌Zoogloeaceae相对丰度明显增加,但Chromobacteriaceae的相对丰度降低。此外,根际土壤含nirS基因的反硝化细菌属水平间的种群关系比非根区更复杂,含nosZ基因的反硝化细菌属水平间的种群关系比非根区更简单。
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