水稻土与设施菜地土壤中硝酸根异化还原为铵的潜势及影响因素解析.docxVIP

水稻土与设施菜地土壤中硝酸根异化还原为铵的潜势及影响因素解析

一、引言

1.1研究背景与意义

土壤氮循环在维持土壤肥力、保障作物生长以及维护生态平衡等方面发挥着关键作用，而硝酸根异化还原为铵（DNRA）过程作为土壤氮循环的重要组成部分，近年来受到了广泛关注。DNRA是指在厌氧条件下，微生物将硝酸根（NO_3^-）异化还原为铵（NH_4^+）的过程。这一过程最早于上世纪三十年代在韦氏梭状芽孢杆菌的纯培养体系中被发现，直到1975年，才被证实可在土壤、沉积物和污泥等体系中发生。

DNRA过程对农业生产和环境保护具有重要意义。从农业生产角度来看，该过程能够将易流失的硝态氮转化为铵态氮，从而提高土壤中氮素的固持能力，增加土壤氮素的有效性，为作物生长提供更稳定的氮源，有助于减少氮肥的施用量，降低生产成本，同时提高作物产量和品质。相关研究表明，在一些稻田土壤中，通过增强DNRA过程，土壤中铵态氮含量显著增加，水稻产量得到有效提升。从环境保护角度而言，DNRA过程可以减少氮素的气态损失，如氧化亚氮（N_2O）和氮气（N_2）的排放。N_2O是一种重要的温室气体，其全球增温潜势约为二氧化碳的300倍，而DNRA过程能够降低N_2O的产生，有助于缓解温室效应，减少对全球气候变化的影响。此外，减少氮素的气态损失还可以降低酸雨的形成，减少对水体的污染，保护生态环境的平衡。

水稻土和设施菜地土壤是农业生产中两种重要的土壤类型。水稻土长期处于淹水厌氧环境，为DNRA过程提供了适宜的条件，使得该过程在水稻土氮循环中扮演着重要角色。研究水稻土中DNRA潜势及其影响因素，对于揭示水稻土氮素转化规律、提高水稻土氮素利用效率以及减少氮素损失对环境的影响具有重要意义。而设施菜地土壤由于长期高强度的施肥、灌溉等人为管理措施，其土壤理化性质和微生物群落结构发生了显著变化，这可能会对DNRA过程产生重要影响。深入了解设施菜地土壤中DNRA潜势及影响因素，对于优化设施菜地施肥管理、提高设施蔬菜产量和品质以及保护设施菜地生态环境具有重要的指导作用。

1.2国内外研究现状

国内外学者对土壤中DNRA过程开展了大量研究。在海洋和河口沉积物方面，研究发现DNRA过程在这些生态系统的氮循环中起着重要作用，其速率和影响因素受到沉积物类型、有机质含量、氧化还原电位等多种因素的调控。在稻田土壤体系中，已有研究表明生物炭作为“电子穿梭体”可加速土壤电子传递网络，促进水稻土的DNRA过程，显著提高水稻土铵态氮的产生速率、DNRA功能微生物丰度与DNRA功能基因的表达水平，且DNRA反应速率与生物炭的比电容、电导率、含氧官能团丰度等“电子穿梭体”功能属性呈显著相关。

对于设施菜地土壤，相关研究主要集中在土壤理化性质、微生物群落结构以及氮素转化等方面，但对DNRA过程的研究相对较少。已有研究指出，设施菜地长期不合理施肥导致土壤养分失衡、酸化等问题，这些变化可能影响DNRA过程的发生，但具体影响机制尚不清楚。此外，不同地区的水稻土和设施菜地土壤由于气候、土壤母质、种植制度等因素的差异，其DNRA潜势及影响因素也可能存在较大差异，目前针对这些差异的系统性研究还较为缺乏。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入探究水稻土和设施菜地土壤硝酸根异化还原为铵的潜势及影响因素，为优化土壤氮素管理、提高土壤肥力以及减少氮素损失对环境的影响提供科学依据。具体研究内容如下：

测定水稻土和设施菜地土壤的DNRA潜势：采用15N同位素标记技术，结合气相色谱-同位素比质谱仪（GC-IRMS）或膜进样质谱仪（MIMS）等先进分析手段，准确测定两种土壤在不同条件下的DNRA潜势，明确其在土壤氮循环中的相对贡献。

探究影响水稻土和设施菜地土壤DNRA潜势的因素：系统研究土壤理化性质（如土壤pH值、氧化还原电位、有机质含量、全氮含量、有效磷含量等）、微生物群落结构（利用高通量测序技术分析细菌、古菌等微生物群落组成和多样性）以及环境因素（如温度、水分等）对DNRA潜势的影响，通过相关性分析、冗余分析等统计方法，确定影响DNRA潜势的关键因素。

分析水稻土和设施菜地土壤中参与DNRA过程的微生物群落结构：运用荧光定量PCR（qPCR）技术定量分析DNRA功能基因（如nrfA等）的丰度，结合高通量测序技术，深入研究参与DNRA过程的微生物群落结构及其在不同土壤条件下的变化规律，揭示微生物群落与DNRA潜势之间的内在联系。

二、材料与方法

2.1实验材料

2.1.1土壤样品采集

水稻土样品采集自[具体地点1]的长期定位试验田，该区域种植水稻多年，土壤类型为[具体土壤类型1]。在试验田中