紀(jì)洋，于海洋，Ralf Conrad，徐華*

1. 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3. Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology，Marburg Germany 35043

間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)土壤微生物群落豐度的影響

紀(jì)洋1,2，于海洋2，Ralf Conrad3，徐華2*

1. 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3. Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology，Marburg Germany 35043

間隙灌溉模式下控釋肥施用可減緩稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O排放交互排放效應(yīng)，從而降低綜合溫室效應(yīng)，然而有關(guān)間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)土壤微生物的影響鮮有研究。通過(guò)采集稻麥輪作系統(tǒng)田間原位試驗(yàn)新鮮土樣，采用核酸定量技術(shù)研究間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施下稻麥輪作系統(tǒng)土壤微生物群落豐度的變化，以探討此耦合措施降低稻麥輪作系統(tǒng)降低CH4和N2O排放的微生物機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除古菌外，稻季土壤細(xì)菌、產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化菌群落豐度均高于麥季；間隙灌溉顯著影響稻田產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化菌數(shù)量的季節(jié)變化；與尿素相比，施用控釋肥增加了稻麥輪作系統(tǒng)細(xì)菌、古菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量，降低了甲烷氧化菌、氨氧化菌、反硝化菌數(shù)量。稻季CH4和N2O的排放量與土壤微生物豐度之間存在顯著相關(guān)性：CH4排放量與古菌、產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌數(shù)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與氨氧化菌數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；N2O排放量與氨氧化菌、甲烷氧化菌、nirK型和nosZ型反硝化菌數(shù)量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），而與nirS型反硝化菌無(wú)顯著相關(guān)性。研究表明，間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施通過(guò)影響稻麥輪作系統(tǒng)相關(guān)功能微生物的群落豐度進(jìn)而減緩CH4和N2O氣體的交互排放效應(yīng)。

間隙灌溉；控釋肥；稻麥輪作；土壤微生物；CH4和N2O排放

土壤中微生物數(shù)量龐大、作用復(fù)雜，在土壤生物地球化學(xué)過(guò)程研究中據(jù)有重要地位（吳金水等，2015）。受傳統(tǒng)的研究方法和手段的限制，目前對(duì)土壤微生物的認(rèn)識(shí)十分有限。近年來(lái)，分子生物學(xué)技術(shù)在環(huán)境微生物領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)了人類(lèi)對(duì)微生物種群演變及其環(huán)境功能的了解（Prosser，2002）。由于古菌和細(xì)菌的16S rDNA具有多個(gè)保守區(qū)段，被廣泛用于土壤及環(huán)境樣品的古菌和細(xì)菌群落研究（Dunbar et al.，2001）。稻田 CH4排放包括 CH4產(chǎn)生、再氧化和傳輸3個(gè)過(guò)程（蔡祖聰?shù)龋?009），其中產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌是參與前兩個(gè)過(guò)程的重要微生物（于海洋等，2017）。產(chǎn)甲烷菌功能基因mcrA控制甲烷化的最后一步反應(yīng)，其將輔酶M連接的甲基催化還原為CH4，甲烷氧化菌功能基因pmoA編碼利用甲烷的第一個(gè)關(guān)鍵酶，將甲烷氧化為甲醇（Theisen et al.，2005；Conrad et al.，2012）。硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程是農(nóng)田N2O產(chǎn)生的最主要途徑，而硝化和反硝化是由微生物驅(qū)動(dòng)的生物化學(xué)過(guò)程。amoA基因控制硝化作用的第一步反應(yīng)：NH3氧化成NH2OH，是硝酸鹽形成的關(guān)鍵反應(yīng)之一（Chu et al.，2007）。亞硝酸還原酶是反硝化過(guò)程中的關(guān)鍵酶，其編碼基因（nirK和nirS）是反硝化微生物的關(guān)鍵功能基因（Liu et al.，2006）。nosZ基因在反硝化過(guò)程中調(diào)控著N2O轉(zhuǎn)化成N2的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（R?sch et al.，2002）。因此，土壤中含有上述基因的功能微生物種群豐度結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律受到廣泛關(guān)注。

以前期淹水、中期烤田和后期干濕交替為特征的間隙灌溉是我國(guó)稻田主要的水分管理措施（Yan et al.，2005）。相對(duì)于持續(xù)淹水，稻田烤田可顯著抑制水稻生長(zhǎng)期 CH4排放，但卻極大促進(jìn) N2O排放。水稻生長(zhǎng)季持續(xù)淹水造成稻田極端厭氧，有利于CH4的產(chǎn)生排放；相反，間隙灌溉模式下烤田提高了土壤通透性，土壤中原有的還原狀態(tài)被破壞，土壤Eh迅速增加，土壤CH4的生成受到限制（Zhang et al.，2013）?？咎锲陂g土壤氧化CH4能力的提高是導(dǎo)致CH4排放減少的另一個(gè)原因（Zhang et al.，2012）。然而，稻田烤田為土壤提供大量的 O2，有利于硝化和反硝化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，極大促進(jìn)稻季N2O排放（蔡祖聰?shù)龋?009）。控釋肥是既適應(yīng)作物全生長(zhǎng)季不同生育階段氮素營(yíng)養(yǎng)的需求，而又不至于導(dǎo)致土壤中剩余無(wú)機(jī)氮濃度過(guò)高的一種可控釋放氮肥。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，施用控釋肥可明顯減少稻麥輪作系統(tǒng)溫室氣體排放，尤其是N2O氣體的排放（Delgado et al.，1996；林匡飛等，2000；李方敏等，2004；易瓊等，2013）。前期研究發(fā)現(xiàn)，間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施可彌補(bǔ)烤田造成的N2O排放增加，減緩稻田CH4和N2O排放交互排放效應(yīng)，同時(shí)避免高量氮肥施入帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)（Ji et al.，2013；2014）。然而，有關(guān)此耦合措施對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)土壤微生物種群的影響，尤其是對(duì)與CH4和 N2O排放相關(guān)的功能微生物種群的了解很少。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于 16S rDNA基因及其他功能基因的非培養(yǎng)技術(shù)，包括聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）、克隆文庫(kù)技術(shù)（Clone）和核酸定量技術(shù)（real-time PCR）的出現(xiàn)為揭示自然環(huán)境中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的分子生態(tài)學(xué)研究開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究平臺(tái)（Heid et al.，1996）。

本研究通過(guò)采集稻麥輪作系統(tǒng)田間原位試驗(yàn)新鮮土樣，采用熒光定量PCR技術(shù)研究間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施對(duì)與CH4和 N2O排放相關(guān)的土壤微生物群落豐度的影響，以探討此耦合措施降低稻麥輪作系統(tǒng)溫室氣體排放的微生物機(jī)理，從而為農(nóng)田系統(tǒng)溫室氣體減排提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方案及樣品采集

供試土壤是采自于 2010—2011年江蘇省句容市行香鎮(zhèn)（31°58′N(xiāo)，119°18′E）稻麥輪作試驗(yàn)田上的原位新鮮土。試驗(yàn)地屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為 15.1 ℃，年平均降雨量為 1100～1200 mm，稻-麥輪作是該地區(qū)的主要耕作制度。試驗(yàn)土壤為發(fā)育于下蜀黃土的爽水性水稻土，其基本理化性質(zhì)為：pH值6.91，有機(jī)碳含量為18.9 g·kg-1，全N含量為1.2 g·kg-1，砂粒（2～0.02 mm）14%，粉粒（0.02～0.002 mm）69%，粘粒（＜0.002 mm）17%，土壤WHC為55%。

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理：（1）對(duì)照處理（CK）：不施氮肥；（2）尿素處理（U）：稻季尿素施用量（以N 計(jì)）為 240 kg·hm-2，麥季尿素施用量為 200 kg·hm-2；（3）控釋肥處理（C）：與尿素處理相同施氮量。本試驗(yàn)所施用的控釋肥為山東金正大生態(tài)工程股份有限公司生產(chǎn)的可降解樹(shù)脂包膜尿素肥料，含氮量為42%。小區(qū)面積均為3 m×5 m，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理相同。麥季尿素按基肥∶追肥為6∶4施用（施用時(shí)間分別為2010年11月20日和2011年3月6日）；稻季尿素按基肥∶分蘗肥∶穗肥為 5∶2.5∶2.5施用（施用時(shí)間分別為2011年7月2日、7月22日和8月20日）；稻麥季控釋肥均作為基肥一次性施入。所有處理均施用 450 kg·hm-2的過(guò)磷酸鈣和 225 kg·hm-2的氯化鉀，作為基肥一次性施入。小麥品種為揚(yáng)麥16號(hào)，于2010年11月20日播種，2011年6月10日收割；水稻品種為華粳3號(hào)，于2011年7月2日移栽（水稻移栽密度為24 holes·m-2），11月6日收割。水分管理參照當(dāng)?shù)氐咎锍Ｒ?guī)管理方式，采用傳統(tǒng)的前期淹水（7月1日—8月1日）、中期烤田（8月2日—8月13日）、后期干濕交替（8月14日—10月7日）和末期排水落干（10月8日—11月6日）管理模式。

麥季土壤樣品于2011年6月10日（小麥成熟期）采集；稻季土壤樣品分別于2011年7月23日水稻幼苗期（淹水期）、8月3日分蘗期（烤田開(kāi)始）、8月11日拔節(jié)期（烤田結(jié)束）和11月4日（成熟期）采集。各小區(qū)按“S”形多點(diǎn)采樣法取表層（0～15 cm）土壤混合。取200 g新鮮土壤用液氮冷凍后于-80 ℃保存，供分子生物學(xué)研究。

1.2 土壤DNA提取及定量PCR

稱(chēng)取0.5 g土壤用Fast DNA SPIN KIT試劑盒（MP Biomedicals，Eschwege，Germany）提取總 DNA（Conrad et al.，2012），操作按說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。所提DNA質(zhì)量與長(zhǎng)度通過(guò)1%凝膠電泳檢測(cè)。所得DNA均稀釋10倍后再進(jìn)行下游實(shí)驗(yàn)。細(xì)菌16S rRNA基因、古菌16S rRNA基因、兩個(gè)CH4排放相關(guān)功能基因（產(chǎn)甲烷菌功能基因mcrA、甲烷氧化菌功能基因pmoA）以及4個(gè)N2O排放相關(guān)功能基因（氨氧化細(xì)菌功能基因 amoA、反硝化菌功能基因 nirS、nirK、nosZ）的定量PCR分析均采用SYBR Green染色法。各基因定量PCR所用的引物和參考文獻(xiàn)如表 1 所示。采用 SPSS 13.0 for Windows（SPSS Inc.，USA）軟件對(duì)不同處理的功能基因數(shù)目進(jìn)行顯著性差異分析（One-way ANOVA），并對(duì)稻田CH4和N2O排放量與土壤微生物種群數(shù)量進(jìn)行相關(guān)性分析（Pearson two-tailed test）。

表1 各目標(biāo)基因定量PCR所用引物及參考文獻(xiàn)Table 1 Primers and references used in qPCR

2 結(jié)果與分析

2.1 稻麥輪作系統(tǒng)土壤細(xì)菌和古菌的群落豐度

圖1所示為麥季收獲期和后續(xù)稻季不同生長(zhǎng)發(fā)育階段土壤細(xì)菌和古菌群落的豐度變化。稻麥輪作系統(tǒng)土壤中檢測(cè)到的細(xì)菌數(shù)量多于古菌，介于7.2×108～6.0×109copies·g-1（干土，下同）之間，其中稻季細(xì)菌數(shù)量明顯高于麥季。隨著水稻生長(zhǎng)，各處理細(xì)菌數(shù)量逐漸降低。與不施氮肥的對(duì)照處理相比，水稻生長(zhǎng)前期，施用尿素和控釋肥均促進(jìn)細(xì)菌數(shù)量增加，其中尿素處理細(xì)菌數(shù)量高于控釋肥處理；而在水稻和小麥?zhǔn)斋@期，施用尿素降低細(xì)菌數(shù)量，施用控釋肥對(duì)細(xì)菌數(shù)量沒(méi)有顯著影響。檢測(cè)到的古菌數(shù)量在 1.3×108～3.7×108copies·g-1之間，稻麥兩季之間古菌數(shù)量沒(méi)有顯著差異，隨著水稻生長(zhǎng)，各處理古菌數(shù)量逐漸增加。與不施氮肥的對(duì)照處理相比，施用尿素和控釋肥均降低稻季和麥季古菌數(shù)量；與尿素相比，施用控釋肥增加土壤中古菌數(shù)量。

2.2 稻麥輪作系統(tǒng)土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的群落豐度

如圖 2所示，產(chǎn)甲烷菌（mcrA）數(shù)量介于3.9×106～2.1×107copies·g-1之間，其中稻季產(chǎn)甲烷菌數(shù)量明顯高于麥季。在水稻生長(zhǎng)季，分蘗期和拔節(jié)期處于排水落干的烤田期，其產(chǎn)甲烷菌數(shù)量小于處于淹水的水稻幼苗期和干濕交替的收獲期。在水稻幼苗期，施用尿素和控釋肥均促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的增加，隨著水稻生長(zhǎng)，氮肥施用逐漸抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)，在水稻和小麥?zhǔn)斋@期，尿素和控釋肥均顯著抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)，其中控釋肥處理產(chǎn)甲烷菌數(shù)量高于尿素處理。

圖1 稻麥輪作系統(tǒng)中土壤細(xì)菌和古菌的群落豐度Fig. 1 Abundances of Bacteria and Archaea in the rice-wheat rotation ecosystem

圖2 稻麥輪作系統(tǒng)中土壤產(chǎn)甲烷菌（mcrA）和甲烷氧化菌（pmoA）的群落豐度Fig. 2 Abundances of methanogens (mcrA) and methanotrophs (pmoA) genes in the rice-wheat rotation ecosystem

甲烷氧化菌（pmoA）數(shù)量介于 1.3×107～4.2×107copies·g-1之間，其中稻季甲烷氧化菌的數(shù)量大于麥季，且隨著水稻的生長(zhǎng)而增加。在麥季收獲期，尿素和控釋肥施用均降低麥季甲烷氧化菌數(shù)量。在水稻生長(zhǎng)前期，尿素施用抑制甲烷氧化菌生長(zhǎng)，隨著水稻的生長(zhǎng)，在水稻收獲期，尿素施用促進(jìn)甲烷氧化菌生長(zhǎng)。在整個(gè)稻季，控釋肥施用抑制甲烷氧化菌生長(zhǎng)，但其抑制作用小于尿素處理。

2.3 稻麥輪作系統(tǒng)土壤氨氧化細(xì)菌和反硝化菌的群落豐度

圖3所示為麥季收獲期和后續(xù)稻季不同生長(zhǎng)發(fā)育階段土壤中與N2O排放相關(guān)的功能基因的豐度變化。稻麥輪作系統(tǒng)土壤中氨氧化菌（amoA）的數(shù)量比3種反硝化菌數(shù)量（nirS、nirK和nosZ）多出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，前者介于 1.6×109～2.1×1010copies·g-1之間，后者分別介于 7.6×106～3.4×107、3.5×107～9.6×107和 2.7×107～1.1×108copies·g-1之間。麥季氨氧化菌的數(shù)量小于稻季；整個(gè)稻季，氨氧化菌數(shù)量變化呈單峰型，在水稻分蘗和拔節(jié)期達(dá)到最大值，而此時(shí)期正是水稻烤田期，土壤經(jīng)排水落干后硝化作用增強(qiáng)，尿素和控釋肥施用促進(jìn)氨氧化菌生長(zhǎng)，其中尿素處理氨氧化菌數(shù)量高于控釋肥處理，隨著水稻生長(zhǎng)，土壤中氮素含量逐漸減少，氨氧化菌數(shù)量隨之下降。在水稻和小麥?zhǔn)斋@期，氮肥處理氨氧化菌數(shù)量均高于不施氮處理，其中尿素較控釋肥更能促進(jìn)氨氧化菌生長(zhǎng)。

稻季土壤中與反硝化作用有關(guān)的nirS、nirK和nosZ基因拷貝數(shù)均高于麥季，說(shuō)明稻季土壤氧化還原條件更有利于反硝化作用的進(jìn)行。麥季收獲期，施氮處理以上3種基因拷貝數(shù)均高于不施氮處理，但僅nosZ基因有顯著性差異；水稻生長(zhǎng)季，3種基因拷貝數(shù)隨著水稻的生長(zhǎng)而下降，且尿素處理＞控釋肥處理＞不施氮處理。

3 討論

3.1 間隙灌溉對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)土壤微生物豐度和結(jié)構(gòu)的影響

圖3 稻麥輪作系統(tǒng)中土壤氨氧化菌（amoA）和反硝化菌（nirS/nirK/nosZ）的群落豐度Fig. 3 Abundances of ammonia-oxidizing bacteria (amoA) and denitrifiers (nirS/nirK/nosZ) in the rice-wheat rotation ecosystem

本研究中土壤微生物的豐度在稻麥輪作系統(tǒng)生育期內(nèi)存在較為明顯的季節(jié)差異。除古菌外，稻季土壤細(xì)菌、產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌、硝化菌和反硝化菌豐度均高于麥季，這是由于稻季氮肥施用量大，水分管理方式較為復(fù)雜，根系分泌物的大量產(chǎn)生豐富了土壤有機(jī)質(zhì)的類(lèi)型和總量，為土壤微生物的生長(zhǎng)提供了適宜的條件（Watanabe et al.，2006）。李大明等（2013）研究發(fā)現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)旺盛期（分蘗期），產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量顯著高于其他時(shí)期，本研究也得到類(lèi)似的結(jié)果。本研究稻季的水分管理參照當(dāng)?shù)氐咎锍Ｒ?guī)管理方式，采用前期淹水、中期烤田、后期干濕交替和末期排水落干的管理模式，為了有效控制水稻分蘗，烤田在水稻生長(zhǎng)的旺期分蘗期進(jìn)行。整個(gè)水稻生長(zhǎng)季產(chǎn)甲烷菌的豐度隨著間隙灌溉的進(jìn)行和水稻的生長(zhǎng)而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。在水稻幼苗期，土壤處于持續(xù)淹水狀態(tài)，厭氧環(huán)境有利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)；分蘗和拔節(jié)期，雖然水稻生長(zhǎng)旺盛，但烤田增加了土壤通氣性，破壞了產(chǎn)甲烷菌的生存條件，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量下降，達(dá)到最低值；隨著后期干濕交替的進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌所需厭氧環(huán)境逐漸恢復(fù)，根系分泌物的大量產(chǎn)生又為產(chǎn)甲烷菌的增加提供了充足的反應(yīng)底物，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量逐漸增加，在收獲期達(dá)到最大值。Ma et al.（2012）通過(guò)研究不同水分管理方式對(duì)稻田產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，間隙灌溉水分管理方式顯著增加稻田甲烷氧化菌數(shù)量。在本研究中，甲烷氧化菌數(shù)量隨著水稻生長(zhǎng)而逐漸增加，在收獲期達(dá)到最大值，烤田對(duì)甲烷氧化菌的數(shù)量沒(méi)有顯著影響，這可能是由于烤田期土壤銨態(tài)氮大部分轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，盡管烤田有利于甲烷氧化菌的生長(zhǎng)，但硝態(tài)氮對(duì)甲烷氧化菌有一定的脅迫作用（Boer et al.，1988）。

以往研究表明，土壤潛在硝化勢(shì)、反硝化勢(shì)分別與氨氧化菌、反硝化菌數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤中大多數(shù)微生物數(shù)量與土壤氮素養(yǎng)分含量呈正相關(guān)（Yuan et al.，2012）；在間隙灌溉模式下，烤田提高稻田土壤通透性，為土壤提供大量的 O2，NH4+-N單氧化酶活性抑制被解除，有利于硝化和反硝化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行（Towprayoon et al.，2005）。本研究中，水稻生長(zhǎng)前期，由于氮肥中氮素快速水解，氨氧化菌和多種反硝化菌數(shù)量均隨水稻的生長(zhǎng)而逐漸增加；水稻分蘗和拔節(jié)期，烤田破壞了土壤厭氧環(huán)境，土壤通透性的提高促進(jìn)氨氧化菌生長(zhǎng)和硝化作用的進(jìn)行，同時(shí)硝化作用的產(chǎn)物硝態(tài)氮又為多種反硝化菌提供充足的底物，因此氨氧化菌和多種反硝化菌數(shù)量在分蘗—拔節(jié)期達(dá)到最大值，其中氨氧化菌的數(shù)量高于反硝化菌，這與以往研究結(jié)果一致（Yan et al.，2000）；由于氮素的不斷消耗，氨氧化菌和反硝化菌數(shù)量隨之逐漸降低。

3.2 稻麥輪作系統(tǒng)CH4和N2O排放與土壤微生物豐度的關(guān)系

土壤微生物在農(nóng)田 CH4和N2O的產(chǎn)生和排放中發(fā)揮著重要作用。稻田CH4排放包括CH4產(chǎn)生、再氧化和傳輸 3個(gè)過(guò)程（蔡祖聰?shù)龋?009），其中前兩個(gè)過(guò)程都與產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌數(shù)量及活性密切相關(guān)（Theisen et al.，2005）。硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程是農(nóng)田N2O產(chǎn)生的最主要途徑，而硝化和反硝化是由硝化菌和反硝化菌驅(qū)動(dòng)的生物化學(xué)過(guò)程（蔡祖聰?shù)龋?009）。以往研究發(fā)現(xiàn)，水稻田土壤的甲烷排放量受到甲烷氧化菌、產(chǎn)甲烷菌種群數(shù)量及其活性的影響，而土壤中N2O的產(chǎn)生與氨氧化細(xì)菌和nirS基因反硝化細(xì)菌數(shù)量的增加有關(guān)（陳中云等，2001；保瓊莉等，2011）。結(jié)合 Ji et al.（2013；2014）研究數(shù)據(jù)（表2），得到了類(lèi)似的結(jié)果，稻田CH4和N2O的排放量與土壤微生物豐度之間存在顯著相關(guān)性（表3）。稻季不同生長(zhǎng)季CH4排放量與相應(yīng)階段的古菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；不同生長(zhǎng)季 N2O的排放量與相應(yīng)階段的氨氧化菌、nirK基因反硝化菌和nosZ基因反硝化菌數(shù)量之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），這與以往研究結(jié)果一致（Conrad，2007；Miller et al.，2008；Maeda et al.，2010），但與 nirS基因反硝化菌數(shù)量沒(méi)有顯著相關(guān)性（P＞0.05）。因此，控制農(nóng)田產(chǎn)甲烷菌和硝化、反硝化菌數(shù)量可以有效減少CH4和N2O的排放量。

甲烷氧化菌和氨氧化菌分別參與碳氮循環(huán)，在CH4和N2O排放方面起著重要作用。甲烷氧化菌和氨氧化菌都傾向于生長(zhǎng)在相近的土層，即“通氣-厭氣”界面，可氧化CH4和（Bodelier et al.，1999），這些細(xì)菌氧化CH4和的方式是很類(lèi)似的。因此，甲烷氧化菌氧化甲烷的同時(shí)也能氧化銨態(tài)氮，氨氧化菌也能消耗大量甲烷（賈仲君等，2003），稻田甲烷氧化和銨氧化具有強(qiáng)烈的交互作用。本研究中，稻季CH4排放量與甲烷氧化菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與氨氧化菌呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（表 3）。以往研究表明，土壤高濃度 CH4會(huì)促進(jìn)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)和活性（Arif et al.，1996）。張廣斌等（2010）研究表明，CH4產(chǎn)生潛勢(shì)對(duì)稻田CH4排放量的影響較大，而CH4氧化潛勢(shì)對(duì)其影響較小。本研究中，由于產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的增加促進(jìn)CH4產(chǎn)生，而高濃度的CH4同時(shí)又促進(jìn)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量增加對(duì)CH4產(chǎn)生的促進(jìn)作用強(qiáng)于甲烷氧化菌數(shù)量增加對(duì)CH4氧化的促進(jìn)作用，因此產(chǎn)甲烷菌與甲烷氧化菌的數(shù)量同時(shí)與 CH4排放呈正相關(guān)關(guān)系。Oneill et al.（1977）高初始甲烷濃度培養(yǎng)會(huì)抑了氨氧化菌對(duì)的氧化，CH4濃度對(duì)氨氧化菌的影響與底物濃度也密切相關(guān)，CH4/+比例越高，氨氧化菌氧化甲烷能力越強(qiáng)。本研究中，稻季氨氧化菌數(shù)量高峰期出現(xiàn)在排水落干的烤田期（圖 3），良好的通氣條件抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和CH4產(chǎn)生，另外淹水期產(chǎn)生的高濃度CH4抑制了氨氧化菌對(duì)的氧化，增強(qiáng)了對(duì)CH4的氧化能力，因此稻季CH4排放與氨氧化菌數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 水稻生長(zhǎng)季CH4和N2O排放量Table 2 CH4 and N2O emission during the rice growing season

表3 稻田CH4和N2O排放量與土壤微生物種群數(shù)量的相關(guān)性分析結(jié)果Table 3 Correlation between CH4 and N2O emission and the abundance of soil microbial communities

3.3 控釋肥施用對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)土壤微生物豐度的影響

控釋肥作為一種新型肥料，不僅可以提高肥料利用率，有效防止環(huán)境污染，而且具有提高土壤酶活性、增加土壤微生物數(shù)量、降低環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)（Trenkel，1997）。孟慶英等（2012）研究結(jié)果表明，控釋肥施用有利于增加土壤細(xì)菌、土壤氮素含量及玉米產(chǎn)量；羅蘭芳等（2007）研究發(fā)現(xiàn)，短期施用控釋氮肥稻田土壤的細(xì)菌數(shù)量明顯高于不施氮處理，周年土壤細(xì)菌明顯高于尿素處理。氮肥養(yǎng)分釋放特性不同，其對(duì)土壤中微生物數(shù)量及土壤中氮素產(chǎn)生影響不同（Yuan et al.，2012）。本研究表明，與不施氮處理相比，施用尿素降低稻麥季收獲期細(xì)菌數(shù)量，而施用控釋肥增加其數(shù)量，這可能是由于尿素施用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致高濃度 N的脅迫作用同時(shí)改變土壤pH值，從而影響細(xì)菌的數(shù)量和活性，而控釋肥可調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放模式，滿(mǎn)足作物全生育期對(duì)氮的生理需求，更利于提高土壤氮素含量為微生物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境，刺激微生物的生長(zhǎng)和活性。

氮肥施用對(duì)土壤產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的影響較為復(fù)雜。Schimel（2000）研究表明，氮促進(jìn)植株生長(zhǎng)，為CH4產(chǎn)生提供前體基質(zhì)，從而促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和活性；而許靜等（2012）研究結(jié)果則相反，高氮肥施用在一定程度上會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，降低其數(shù)量。本研究中，施用氮肥降低稻麥季古菌和產(chǎn)甲烷菌豐度，控釋肥的抑制作用小于尿素，這可能是由于尿素施用后通過(guò)硝化作用產(chǎn)生硝態(tài)氮，提升了土壤氧化還原電位，間接抑制產(chǎn)甲烷古菌的生長(zhǎng)。銨態(tài)氮肥對(duì)土壤甲烷氧化菌的影響隨NH4+和 CH4濃度的不同而變化（Oneill et al.，1977），本研究中，稻季生長(zhǎng)前期，氮肥施用降低甲烷氧化菌數(shù)量，但稻麥季收獲期，氮肥施用增加其數(shù)量，這是由于在稻田高內(nèi)源CH4濃度條件下，施用銨態(tài)氮肥對(duì)稻田CH4氧化菌的作用開(kāi)始表現(xiàn)為抑制，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和銨態(tài)氮的逐漸消失，高濃度CH4和銨態(tài)氮的存在促進(jìn)了甲烷氧化菌的生長(zhǎng)（Cai et al.，1997）。以上分析表明，2011年稻季施氮處理降低CH4排放量（表2），主要是由于氮肥對(duì)產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的抑制作用及其對(duì)水稻生長(zhǎng)前期甲烷氧化菌生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。水稻生長(zhǎng)前期，與尿素相比，施用控釋肥對(duì)產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌數(shù)量沒(méi)有明顯影響，且 2011年稻季尿素處理和控釋肥處理 CH4排放量之間無(wú)顯著差異（表2），這進(jìn)一步說(shuō)明稻田CH4排放量與產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌數(shù)量之間具有顯著相關(guān)性。

土壤中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量與活性分別影響著土壤硝化作用和反硝化作用的強(qiáng)度。羅蘭芳等（2007）研究發(fā)現(xiàn)，短期施用控釋氮肥稻田土壤的氨化細(xì)菌和反硝化菌數(shù)量明顯高于不施氮處理，氨化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌的數(shù)量比尿素處理低，土壤中大多數(shù)微生物數(shù)量與土壤氮素養(yǎng)分含量呈正相關(guān)。本研究得到類(lèi)似的結(jié)論，施用氮肥顯著增加了稻麥季氨氧化菌和多種反硝化菌的數(shù)量，其中控釋肥處理微生物數(shù)量顯著低于尿素處理，這是由于尿素迅速溶解，氮素的劇增刺激了氨氧化菌和多種反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，而控釋肥的氮釋放速率緩慢，對(duì)硝化菌和反硝化菌的影響較小。然而，氨氧化菌和反硝化菌數(shù)量并不隨氮肥施用量的增加而增加。侯彥林等（2004）室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)施肥量低于肥土比 1∶400時(shí)，硝化菌和反硝化菌數(shù)量隨施肥量的增加無(wú)顯著變化，而當(dāng)施肥量高于肥土比 1∶400時(shí)，其隨施肥量增加而下降，與Boer et al.（1988）的研究結(jié)果一致，這是由于尿素溶解后，高濃度 NO3--N抑制了硝化菌和反硝化菌的生長(zhǎng)。本研究 2011年田間原位試驗(yàn)結(jié)果表明，稻季N2O排放主要集中在烤田期，與尿素相比，施用控釋肥顯著降低烤田期N2O排放量，從而降低整個(gè)稻季總排放量（表2），這與控釋肥對(duì)硝化菌、反硝化菌數(shù)量的影響密切相關(guān)；施用控釋肥顯著降低氨氧化菌和多種反硝化菌數(shù)量，烤田期控釋肥的抑制作用最為明顯（表3）。因此，施用控釋肥可降低氨氧化菌和多種反硝化菌的數(shù)量，進(jìn)而降低稻季N2O排放量。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)采集稻麥輪作系統(tǒng)田間原位試驗(yàn)新鮮土樣，研究此間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施下稻麥輪作系統(tǒng)土壤微生物群落豐度的變化，以探討此耦合措施降低稻麥輪作系統(tǒng)綜合溫室效應(yīng)的微生物機(jī)理。整個(gè)稻麥輪作系統(tǒng)，除古菌外，稻季土壤細(xì)菌、產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化菌豐度均高于麥季。間隙灌溉顯著影響稻季產(chǎn)甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化菌數(shù)量的季節(jié)變化。稻季CH4和N2O的排放量與土壤微生物豐度之間存在顯著相關(guān)性（P＜0.05）。與尿素相比，施用控釋肥降低了土壤氨氧化菌和 nirS/nirK/nosZ型反硝化菌，從而降低稻麥輪作系統(tǒng) N2O的排放量；增加了土壤細(xì)菌、古菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量，降低了甲烷氧化菌數(shù)量，從而影響稻麥輪作系統(tǒng)CH4的排放量。本研究表明，間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施通過(guò)影響稻麥輪作系統(tǒng)相關(guān)微生物的群落豐度進(jìn)而減緩CH4和N2O氣體的交互排放效應(yīng)。

ANGEL R, CLAUS P, CONRAD R. 2012. Methanogenic archaea are globally ubiquitous in aerated soils and become active under wet anoxic conditions [J]. ISME Journal, 6: 847-862.

ARIF M A S, HOUWEN F, VERSTRAETE W. 1996. Agricultural factors affecting methane oxidation in arable soil [J]. Biology and Fertility of Soils, 21(1-2): 95-102.

BODELIER, P L E, FRENZEL E F. 1999. Contribution of methanotrophic and nitrifying bacteria to CH4and NH4+oxidation in the rhizosphere of rice plants as determined by new methods of discrimination [J].Applied and Environmental Microbiology, 65(5): 1826-1833.

BOER W D, DUYT S H, LAANBROCK H J. 1988. Autotrophic nitrification in a fertilized acid health soil [J]. Soil Biology and Biochemistry, 20(6): 845-850.

CAI Z C, XING G X, YAN X Y, et al. 1997. Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilizers and water management [J]. Plant and Soil, 196(1): 7-14.

CHU H, FUJII T, MORIMOTO S, et al. 2007. Community structure of ammonia-oxidizing bacteria under long-term application of mineral fertilizer and organic manure in a sandy loam soil [J]. Applied and Environmental Microbiology, 73(2): 485-491.

CONRAD R. 2007. Soil microbial communities and global climate changemethanotrophic and methanogenic communities as paradigms. In Modern Soil Microbiology: Second Edition [M]//VANELSAS J D,JANSSON J, TREVORS J T. Boca Raton (FL): CRC Press: 263-282.

CONRAD R, KLOSE M, LU Y, et al. 2012. Methanogenic pathway and archaeal communities in three different anoxic soils amended with rice straw and maize straw [J]. Frontiers in Microbiology, doi:10.3389/fmicb.2012.00004.

COSTELLO A M, LIDSTROM M E. 1999. Molecular characterization of functional and phylogenetic genes from natural populations of methanotrophs in lake sediments [J]. Applied and Environmental Microbiology, 65(11): 5066-5074.

DELGADO J, MOSIER A. 1996. Mitigation alternatives to decrease nitrous oxides emissions and urea-nitrogen loss and their effect on methane flux [J]. Journal of Environmental Quality, 25(5): 1105-1111.

DUNBAR J, TICKNOR L O, KUSKE C R. 2001. Phylogenetic specificity and reproducibility and new method for analysis of terminal restriction fragment profiles of 16S rRNA genes from bacterial communities [J].Applied and Environmental Microbiology, 67(1): 190-197.

GROSSKOPF R, JANSSEN P H, LIESACK W. 1998. Diversity and structure of the methanogenic community in anoxic rice paddy soil microcosms as examined by cultivation and direct 16S rRNA gene sequence retrieval [J]. Applied and Environmental Microbiology,64(3): 960-969.

HEID C A, SREVRNS J. 1996. Real time quantitative PCR [J]. Genome Research, 6(10): 986-994.

HENRY S, BAUDOIN E, LOPEZ-GUTIERREZ J C, et al. 2004.Quantification of denitrifying bacteria in soils by nirK gene targeted real-time PCR [J]. Journal of Microbiological Methods, 59(3): 327-335.

HENRY S, BRU D, STRES B, et al. 2006. Quantitative detection of the nosZ gene, encoding nitrous oxide reductase, and comparison of the abundances of 16S rRNA, narG, nirK, and nosZ genes in soils [J].Applied and Environmental Microbiology, 72(8): 5181-5189.

JI Y, LIU G, MA J, et al. 2014. Effects of urea and controlled release urea fertilizers on methane emission from paddy fields: a multi-year field study [J]. Pedosphere, 24(5): 662-673.

JI Y, LIU G, MA J, et al. 2013. Effect of controlled-release fertilizer (CRF)mitigating N2O emission from paddy field in South China: a multi-year field observation [J]. Plant and Soil, 371(1-2): 473-486.

JIA Z J, SUGANO A, ASARI N, et al. 2007. Molecular characterization of methane-oxidizing bacteria associated with rice straw decomposition in a rice field [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 53(6): 729-739.

KANDELER E, DEIGLMAYR K, TSCHERKO D, et al. 2006. Abundance of narG, nirS, nirK, and nosZ genes of denitrifying bacteria during primary successions of a glacier foreland [J]. Applied and Environmental Microbiology, 72(9): 5957-5962.

LANE D J. 1991. 16S/23S rRNA sequencing. In Nucleic Acid Techniques in Bacterial Systematics [M]//STACKEBRANDT E, GOODFELLOW M.New York: Wiley: 115-147.

LIU B R, JIA G M, CHEN J, et al. 2006. A review of methods for studying microbial diversity in soils [J]. Pedosphere, 16(1): 18-24.

MA K, CONRAD R, LU Y H. 2012. Responses of methanogen mcrA genes and their transcripts to an alternate dry/wet cycle of paddy field soil [J].Applied and Environmental Microbiology, 78 (2): 445-450.

MAEDA K, MORIOKA R, HANAJIMA D, et al. 2010. The impact of using mature compost on nitrous oxide emission and the denitrifier community in the cattle manure composting process [J]. Microbial Ecology, 59(1): 25-36.

MILLER M N, ZEBARTH B J, DANDIE C E, et al. 2008. Crop residue influence on the denitrification, N2O emissions and denitrifiers community abundance [J]. Soil Biology and Biochemistry, 40(10):2553-2562.

ONEILL J G, WILKINSON J F. 1977. Oxidation of ammonia by methane oxidizing bacteria and the effects of ammoniaon methane oxidation [J].Journal of General Microbiology, 100: 407-412.

PROSSER J I. 2002. Molecular and functional diversity in soil microorganisms [J]. Plant and Soil, 244(1-2): 9-17.

R?SCH C, MERGEL A, BOTHE H, et al. 2002. Biodiversity of denitrifying and dinitrogen-fixing bacteria in an acid forest soil [J].Applied and Environmental Microbiology, 68(8): 3818-3829.

SCHIMEL J. 2000. Global change: rice, microbes and methane [J]. Nature,403: 375-377.

THEISEN A R, ALI M H, RADAJEWSKI S, et al. 2005. Regulation of methane oxidation in the facultative methanotroph Methylocella silvestris BL2 [J]. Molecular Microbiology, 58(3): 682-692.

TOWPRAYOON S, SMAKGAHN K, POONKAEW S. 2005. Mitigation of methane and nitrous oxide emissions from drained irrigated rice fields[J]. Chemosphere, 59(11): 1547-1556.

TRENKEL M E. 1997. Controlled-Release and Stabilized Fertilizers in Agriculture [M]. Pairs: Published by international Fertilizer Industry Association.

WATANABE T, KIMURA M, ASAKAWA S. 2006. Community structure of methanogenic archaea in paddy field soil under double cropping(rice-wheat) [J]. Soil Biology and Biochemistry, 38(6): 1264-1274.

YAN X Y, DU L, SHI S, et al. 2000. Nitrous oxide emission from wetland rice soil as affected by the application of controlled-availability fertilizers and mid-season aeration [J]. Biology and Fertility of Soils,32(1): 60-66.

YAN X Y, YAGI K, AKIYAMA H, et al. 2005. Statistical analysis of the major variables controlling methane emission from rice fields [J].Global Change Biology, 11(7): 1131-1141.

YUAN Q, LIU P F, LU Y H. 2012. Differential responses of nirK- and nirS-carrying bacteria to denitrifying conditions in the anoxic rice field[J]. Environmental Microbiology Reports, 4(1): 113-122.

ZHANG G B, JI Y, MA J, et al. 2012. Intermittent irrigation changes production, oxidation, and emission of CH4in paddy fields determined with stable carbon isotope technique [J]. Soil Biology and Biochemistry, 52: 108-116.

ZHANG G B, LIU G, ZHANG Y, et al. 2013. Methanogenic pathway and fraction of CH4oxidized in paddy fields: seasonal variation and effect of water management in winter fallow season [J]. PLoS ONE, 8(9):e73982.

保瓊莉, 巨曉棠. 2011. 夏玉米根系密集區(qū)與行間N2O濃度及與氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的關(guān)系[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料科學(xué), 17(5):1156-1165.

蔡祖聰, 徐華, 馬靜. 2009. 稻田生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O排放[M]. 合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社: 70: 155-160.

陳中云, 閔航, 陳美慈, 等. 2001. 不同水稻土甲烷氧化菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量與甲烷排放量之間相關(guān)性的研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 21(9): 1499-1504.

侯彥林, 王曙光, 郭偉. 2004. 尿素施肥量對(duì)土壤微生物和酶活性的影響[J]. 土壤通報(bào), 35(3): 303-306.

賈仲君, 蔡祖聰. 2003. 稻田甲烷氧化與銨氧化關(guān)系研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境, 19(4): 40-44.

李大明, 成艷紅, 劉滿(mǎn)強(qiáng), 等. 2013. 雙季稻田甲烷排放與土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量關(guān)系研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 32(4): 866-873.

李方敏, 樊小林, 劉芳, 等. 2004. 控釋肥料對(duì)稻田氧化亞氮排放的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 15(11): 2170-2174.

林匡飛, 項(xiàng)雅玲, 姜達(dá)炳, 等. 2000. 湖北地區(qū)稻田甲烷排放量及控制措施的研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 19(5): 267-270.

羅蘭芳, 鄭圣先, 廖育林, 等. 2007. 控釋氮肥對(duì)稻田土壤微生物的影響及其與土壤氮素肥力的關(guān)系[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 33(5): 608-613.

孟慶英, 朱寶國(guó), 王囡囡, 等. 2012. 控釋尿素與常規(guī)尿素不同配施對(duì)根際土壤微生物數(shù)目、土壤氮素及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 土壤通報(bào),43(5): 1173-1176.

吳金水, 葛體達(dá), 胡亞軍. 2015. 稻田土壤關(guān)鍵元素的生物地球化學(xué)耦合過(guò)程及其微生物調(diào)控機(jī)制[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 35(20): 6626-6634．

許靜, 嚴(yán)陳, 林毅, 等. 2012. FACE對(duì)水稻土產(chǎn)甲烷古菌豐度的影響[J].土壤學(xué)報(bào), 49(6): 1248-1251.

易瓊, 逄玉萬(wàn), 楊少海, 等. 2013. 施肥對(duì)稻田甲烷與氧化亞氮排放的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 22(8): 1432-1437.

于海洋, 楊玉婷, 馬靜, 等. 2017. 硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(3): 461-467.

張廣斌, 張曉艷, 馬二登, 等. 2010. 冬季土地管理對(duì)稻季CH4產(chǎn)生、氧化和排放的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 26(2): 97-102.

Effect of the Coupling Technique of Intermittent irrigation and Controlledrelease Fertilizer on the Abundance of Soil Microbial Communities from Rice-wheat Rotation Ecosystem

JI Yang1,2, YU Haiyang2, CONRAD Ralf3, XU Hua2*
1. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture//Institute of Soil Science, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China;
3. Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology, Marburg, 35043 Germany

The coupling technique of intermittent irrigation and controlled-release fertilizer (CRF) application is expected to reduce CH4and N2O emissions from rice-wheat rotation ecosystem by the author’s previous studies, but its effect on the microbial communities remain poorly understood. Fresh soils were sampled through the rice-wheat rotation seasons in a field experiment to elucidate the microbial mechanisms of effects of the coupling technique of intermittent irrigation and controlled-release fertilizer(CRF) application on CH4and N2O emissions by analyzing the abundance of soil microbial communities using the method Real-time PCR. The abundances of bacterial, methanogens, methanotrophs, ammonia-oxidizing bacteria and denitrifiers were higher during rice growing season than that during wheat growing season. Intermittent irrigation significantly influenced the seasonal variation of abundances of methanogens, methanotrophs, ammonia-oxidizing bacteria and nirS/nirK/nosZ-type denitrifiers. Compared with urea,CRF increased the abundances of archaea, bacteria and methanogens, while decreased the abundances of methanotrophs,ammonia-oxidizing bacteria, nirS/nirK/nosZ-type denitrifiers. CH4and N2O emissions were significantly correlated with the abundances of soil microbial communities. CH4emission was positively correlated with the abundances of archaea, methanogens and methanotrophs (P＜0.01), while it was negatively correlated with the abundances of ammonia-oxidizing bacteria (P＜0.05). N2O emission was positively correlated with the abundances of ammonia-oxidizing bacteria, methanotrophs, nirK-type and nosZ-type denitrifiers (P＜0.05), while no significant relationship was found with nirS-type denitrifiers. The results indicated that the coupling technique of intermittent irrigation and controlled-release fertilizer application mitigated the CH4and N2O emissions from rice-wheat rotation ecosystem by influencing the abundance of related functional microbial communities.

intermittent irrigation; controlled-release fertilizer; rice-wheat rotation; soil microbial communities; CH4and N2O emissions

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.008

S154.3; X172

A

1674-5906（2017）10-1696-08

紀(jì)洋, 于海洋, Ralf Conrad, 徐華. 2017. 間隙灌溉和控釋肥施用耦合措施對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)土壤微生物群落豐度的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(10): 1696-1703.

JI Yang, YU Haiyang, CONRAD Ralf, XU Hua. 2017. Effect of the coupling technique of intermittent irrigation and controlledrelease fertilizer on the abundance of soil microbial communities from rice-wheat rotation ecosystem [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1696-1703.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401268）；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年基金項(xiàng)目（BK20140992）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（14KJB210006）；土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題（Y412201414）

紀(jì)洋（1986年生），女，講師，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)田溫室氣排放的生態(tài)環(huán)境過(guò)程及微生物調(diào)控機(jī)制研究。E-mail: jiyang@nuist.edu.cn*通信作者：徐華（1966年生），男，研究員，博士。E-mail: hxu@issas.ac.cn

2017-07-25