摘要
氧化亚氮(N2O)是第三大温室气体，对臭氧层具有较强的破坏力。酸性土壤是N2O的重要排放源，但其高排放的机理尚不明确。微生物过程是导致N2O排放的主要原因，但是以往的研究重点关注细菌的作用，而对于真菌如何参与N2O的排放及其潜在的作用机制仍不清楚。因此，有必要同时对真菌和细菌在酸性土壤N2O排放过程中的贡献进行更深入的探究。本文以我国南方地区酸性土壤为研究对象，采用生物抑制剂法、基于功能基因的实时荧光定量技术、高通量测序技术和N2O同位素异构体技术来综合分析导致酸性土壤N2O高排放的关键因素和微生物特征;在上述研究手段的基础上，结合15N示踪技术探究强酸性土壤N2O排放过程及相关微生物对pH变化的响应;最后在酸性土壤中探究土壤酸化改良剂硅钙钾镁肥分别对细菌和真菌主导的N2O排放的作用机理，以期为改良酸性土壤的同时实现N2O减排提供理论指导。主要研究结果如下: (1)pH是土壤理化性质中导致N2O排放量存在差异的关键因素。相同施氮量和培养条件下，供试土壤(pH3.51～7.95,n=12)N2O累积排放量的范围为0.001～1.72mgNkg-1,平均值为0.320mgNkg-1。N2O排放量随着pH下降呈指数增长。强酸性土壤(pH＜4.5)的平均N2O累积排放量分别是弱酸性土壤(pH=4.5～6.5)和中碱性土壤(pH＞6.5)的19倍和37倍。因此，酸性土壤，尤其是强酸性土壤，是N2O排放的热点区域。 (2)结合细菌和真菌抑制剂法和N2O同位素特征值发现不同土壤N2O排放的微生物途径存在明显差异，pH＜4.5的茶园和菜地土壤N2O排放的主要途径是真菌反硝化作用，而弱酸性和弱碱性菜田土壤N2O排放主要来自细菌的作用。土壤N2O排放量与真菌丰度和真菌/细菌丰度的比值呈显著正相关关系。强酸性土壤中具有较高的真菌亚硝酸盐还原酶基因(nirK)丰度和较低的细菌硝化和反硝化功能基因丰度。在强酸性土壤中发现较高比例的产N2O真菌来自曲霉菌科(Aspergillaceae)、篮状菌属(Talaromyces)、青霉菌属(Penicillium)和毛壳菌属(Chaetomium)。由于低pH条件形成的土壤微生物群落结构，尤其是反硝化真菌群落，导致了由真菌反硝化驱动的酸性土壤N2O高排放。 (3)采用不同用量CaO设置pH梯度发现，两种强酸性土壤(pH3.91)的N2O排放量均随着pH上升至中性而呈梯度下降，不同排放途径的响应存在差异。采用15N示踪技术发现，强酸性土壤中90％以上的N2O均来自于反硝化作用，pH上升显著降低了反硝化作用对N2O排放的贡献。结合N2O同位素特征值和乙炔抑制技术发现，pH上升的过程中强酸性土壤N2O排放途径始终以真菌反硝化主导。pH上升显著增加了强酸性土壤中氨氧化细菌基因(AOBamoA)和N2O还原酶基因(nosZⅡ)丰度，而显著降低其它反硝化细菌和真菌的基因丰度，同时可显著降低产N2O真菌毛壳菌属(Chaetomium)和镰刀菌属(Fusarium)的相对丰度。总体而言，pH通过降低真菌nirK基因丰度和反硝化真菌丰度来降低真菌反硝化作用驱动的N2O排放。 (4)施用酸化改良剂硅钙钾镁肥显著降低了强酸性土壤的N2O排放，而显著增加了弱酸性土壤的N2O排放。以2种真菌(pH＜4.5)主导N2O排放的强酸性土壤和2种细菌(pH=4.5～5.5)主导N2O排放的弱酸性土壤为研究对象。施用10gkg-1硅钙钾镁肥显著降低强酸性土壤N2O排放最高达50％;而显著促进弱酸性土壤N2O排放量2.92倍，当与尿素配施时，促进作用达27.3倍。结构方程模型分析结果表明，在细菌主导N2O排放的土壤中，硅钙钾镁肥主要通过提高细菌和AOBamoA基因的丰度并降低nosZⅡ丰度来促进N2O排放;在真菌主导N2O排放的土壤中，硅钙钾镁肥主要通过降低真菌和真菌相关的nirK和p450nor基因丰度来降低N2O排放。总之，硅钙钾镁肥减排酸性土壤N2O的效果取决于产生N2O的主导途径以及不同排放过程对N2O排放的净效应。 综上所述，真菌的反硝化作用在强酸性土壤N2O排放中发挥着重要的作用，并且将导致极高的N2O排放量。通过在酸性土壤中施用酸化改良剂可以有效降低真菌主导的N2O排放，但将极大地促进施肥土壤中细菌硝化作用主导的N2O排放量。因此在N2O的减排管理过程中应注意由不同主导过程引发的N2O排放的不同响应机制。
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