全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 11 期摇 摇 2012 年 6 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
黑龙江省大兴安岭林区火烧迹地森林更新及其影响因子 蔡文华,杨摇 健,刘志华,等 (3303)…………………
基于 B鄄IBI指数的温榆河生态健康评价 杨摇 柳,李泳慧,王俊才,等 (3313)……………………………………
川西亚高山暗针叶林不同恢复阶段红桦、岷江冷杉土壤种子损耗特征 马姜明,刘世荣,史作民,等 (3323)…
老龄阔叶红松林下层木空间分布的生境关联分析 丁胜建,张春雨,夏富才,等 (3334)…………………………
内蒙古高原荒漠区四种锦鸡儿属植物灌丛沙包形态和固沙能力比较 张媛媛,马成仓,韩摇 磊,等 (3343)……
角果藜的生长动态及其生殖配置 全杜娟,魏摇 岩,周晓青,等 (3352)……………………………………………
基于 MODIS / NDVI时间序列的森林灾害快速评估方法———以贵州省为例
侍摇 昊,王摇 笑,薛建辉,等 (3359)
……………………………………
……………………………………………………………………………
祁连山西水林区土壤阳离子交换量及盐基离子的剖面分布 姜摇 林,耿增超,李珊珊,等 (3368)………………
水分和温度对春玉米出苗速度和出苗率的影响 马树庆,王摇 琪,吕厚荃,等 (3378)……………………………
施氮对水稻土 N2O释放及反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度的影响 郑摇 燕,侯海军,秦红灵,等 (3386)……
中国西北潜在蒸散时空演变特征及其定量化成因 曹摇 雯,申双和,段春锋 (3394)……………………………
基于植被降水利用效率和 NDVI的黄河上游地区生态退化研究 杜加强,舒俭民,张林波 (3404)……………
异速生长法计算秋茄红树林生物量 金摇 川,王金旺,郑摇 坚,等 (3414)…………………………………………
乌兰布和沙漠沙蒿与油蒿群落的物种组成与数量特征 马全林,郑庆中,贾举杰,等 (3423)……………………
不同光强下单叶蔓荆的光合蒸腾与离子累积的关系 张摇 萍,刘林德,柏新富,等 (3432)………………………
浑善达克沙地沙地榆种子雨的扩散规律 谷摇 伟,岳永杰,李钢铁,等 (3440)……………………………………
咸水灌溉对沙土土壤盐分和胡杨生理生长的影响 何新林,陈书飞,王振华,等 (3449)…………………………
外源 NO对 NaHCO3 胁迫下黑麦草幼苗光合生理响应的调节 刘建新,王金成,王摇 鑫,等 (3460)……………
呼伦贝尔草地植物群落与土壤化学计量学特征沿经度梯度变化 丁小慧,罗淑政,刘金巍,等 (3467)…………
海南稻田土壤硒与重金属的含量、分布及其安全性 耿建梅,王文斌,温翠萍等 (3477)…………………………
江苏省典型区农田土壤及小麦中重金属含量与评价 陈京都,戴其根,许学宏,等 (3487)………………………
应用稳定同位素研究广西东方洞食物网结构和营养级关系 黎道洪,苏晓梅 (3497)……………………………
利用细胞计数手段和 DGGE技术分析松花江干流部分地区的细菌种群多样性
屠摇 腾,李摇 蕾,毛冠男,等 (3505)
………………………………
……………………………………………………………………………
中国主要入海河流河口集水区划分与分类 黄金良,李青生,黄摇 玲,等 (3516)…………………………………
基于 VGPM模型和 MODIS数据估算梅梁湾浮游植物初级生产力 殷摇 燕,张运林,时志强,等 (3528)………
低温胁迫下虎纹蛙的生存力及免疫和抗氧化能力 王摇 娜,邵摇 晨,颉志刚,等 (3538)…………………………
转 Bt水稻土壤跳虫群落组成及其数量变化 祝向钰,李志毅,常摇 亮,等 (3546)………………………………
尼日利亚非洲蜂和安徽意大利蜜蜂及其杂交二代形态特征与微卫星 DNA遗传多样性
余林生,解文飞,巫厚长,等 (3555)
………………………
……………………………………………………………………………
北京城市公园湿地休憩功能的利用及其社会人口学因素 李摇 芬,孙然好,陈利顶 (3565)……………………
基于协整理论的经济增长与生态环境变化关系分析———以重庆市渝东南地区为例
肖摇 强,胡摇 聃,肖摇 洋,等 (3577)
……………………………
……………………………………………………………………………
感潮河网区环境合作博弈模型及实证 刘红刚,陈新庚,彭晓春 (3586)…………………………………………
专论与综述
国内外生态效率核算方法及其应用研究述评 尹摇 科,王如松,周传斌,等 (3595)………………………………
全球变化背景下的现代生态学———第六届现代生态学讲座纪要 温摇 腾,徐德琳,徐摇 驰,等 (3606)…………
问题讨论
流域环境要素空间尺度特征及其与水生态分区尺度的关系———以辽河流域为例
刘星才,徐宗学,张淑荣,等 (3613)
………………………………
……………………………………………………………………………
研究简报
不同光照强度对兴安落叶松几种主要防御蛋白活力的影响 鲁艺芳,石摇 蕾,严善春 (3621)…………………
木荷种源间光合作用参数分析 熊彩云,曾摇 伟,肖复明,等 (3628)………………………………………………
基于能值分析的深圳市三个小型农业生态经济系统研究 杨卓翔,高摇 阳,赵志强,等 (3635)…………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*342*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄06
封面图说: 爬升樟木沟的暖湿气流———樟木沟是中国境内横切喜马拉雅山脉南坡的几条著名大沟之一,它位于我国西藏聂拉
木县境内的希夏邦马峰东南侧,延绵 5400km的 318 国道在此沟中到达其最西头。 从聂拉木县城到樟木口岸短短的
30km中,海拔从 4000m急降至 2000m。 在大气环流作用下,来自印度洋的暖湿气流沿樟木沟不断费力地往上爬升,
给该沟谷留下了大量的降水。 尤其是在雨季到来时,山间到处是流水及悬垂崖头的瀑布,翠峰直插云霄,森林茂密
苍郁,溪流碧澄清澈,奇花异葩繁多,风景美如画卷,气势壮丽非凡。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 11 期
2012 年 6 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 11
Jun. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金(41071181,40801098); 中国科学院百人计划资助项目(ZCX2鄄YW鄄BR鄄01)
收稿日期:2011鄄05鄄25; 摇 摇 修订日期:2011鄄10鄄31
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: wenxuewei@ isa. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201105250686
郑燕,侯海军,秦红灵,朱亦君,魏文学.施氮对水稻土 N2O释放及反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度的影响.生态学报,2012,32(11):3386鄄3393.
Zheng Y, Hou H J, Qin H L, Zhu Y J, Wei W X. Effect of N application on the abundance of denitrifying genes (narG / nosZ) and N2O emission in paddy
soil. Acta Ecologica Sinica,2012,32(11):3386鄄3393.
施氮对水稻土 N2 O释放及反硝化功能
基因(narG / nosZ)丰度的影响
郑摇 燕1,2,侯海军1,2,秦红灵1,朱亦君1,魏文学1,*
(1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室及桃源农业生态试验站,长沙摇 410125;
2. 中国科学院研究生院,北京摇 100049)
摘要:以紫潮泥和红黄泥两种不同质地的水稻土壤作为研究对象,通过室内培养试验,分析施用硝态氮肥对 N2O释放和反硝化
基因(narG / nosZ)丰度的影响,并探讨反硝化基因丰度与 N2O释放之间的关系。 结果表明,施用硝态氮显著增加两种水稻土的
N2O释放量。 在 72h培养过程中,施氮改变了紫潮泥反硝化基因( narG / nosZ)的丰度,但并未明显影响红黄泥反硝化基因
(narG / nosZ)丰度。 通过双变量相关分析发现,除了紫潮泥 narG基因外,其它的反硝化基因丰度和 N2O释放之间并没有显著相
关性。
关键词:水稻土;施氮;N2O释放;反硝化基因丰度
Effect of N application on the abundance of denitrifying genes (narG / nosZ) and
N2O emission in paddy soil
ZHENG Yan1,2, HOU Haijun1,2, QIN Hongling1, ZHU Yijun1, WEI Wenxue1,*
1 Key Laboratory of Agro鄄Ecological Processes in Subtropical Region and Taoyuan Agro鄄Ecological Experiment Station, Institute of Subtropical Agriculture,
Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China
2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Nitrous oxide (N2O) is a powerful greenhouse gas with a global warming potential 296 times higher than carbon
dioxide over a 100鄄year time period. Most of N2O is emitted from agricultural soils through microbial processes of
nitrification and denitrification. In order to explore the relationship between N2O emission and denitrifying processes in
paddy soil, incubation experiment was performed with purple calcareous clayey soil (P) and reddish yellow loamy soil (R)
with CK and N treatments. According to N2O emission rate, soil samples were taken at 24, 48 and 72 hours which
represented the growing, top and dropping periods, respectively. The abundances of narG and nosZ were analyzed using
real鄄time PCR. The results showed that N2O emission in N treatment was significantly higher than that in CK treatment in
the two paddy soils, indicating that application of NO-3 greatly contributed to N2O emission. Compared the two soils treated
with nitrogen, N2O flux behaved differently, in the purple calcareous soil N2O emission rates were significantly lower in
24 thh in comparison with the incubation time at the 48 th and 72 thh which possessed similar flux rates. However, the reddish
yellow loamy soil showed that the emission rate was the highest at 48 thh, afterwars it dropped till 72 thh the rate was
significantly lower than that at 48 thh. Compared to purple calcareous soil, the N2O emission in N treatment was higher in
reddish yellow loamy soil, which increased 26. 9% , 38. 7% and 17. 0% in 24 thh, 48 thh and 72 thh, respectively. After
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72 h incubation, the content of NO-3 鄄N decreased 18% and 40% in purple calcareous soil and reddish yellow loamy,
indicating more NO-3 鄄N was tansformed in reddish yellow loamy than that in purple calcareous soil. The real鄄time PCR
revealed that N application affected the abundance of the denitrifying genes in the purple calcareous clayey soil, but didn忆t
obviously affect them in the reddish yellow loamy soil. For purple calcareous clayey soil, narG gene abundance in N
treatment were significantly higher than that in its CK treatment at all the three incubation time points (24 thh, 48 thh,
72 thh), while there was no significantly difference for reddish yellow loamy soil except for in 48 thh with higher narG gene
abundance in N treatment. Meanwhile, application of nitrogen induced a higher abundance of nosZ gene than that in the CK
treatment only at 48 thh for purple calcareous clayey soil and no significantly difference was detected for reddish yellow loamy
soil. Bivariate correlation analysis showed that no significant correlations were found between abundance of denitrifying
genes (narG / nosZ) and N2O emission, except narG gene in purple calcareous clayey soil. The results suggested that
studying correlationship between gene abundance and N2O emission from DNA level might have some limitations, because
not all of DNA quantified in real鄄time PCR was expressed and the denetrifying DNA gene just represented the denetryfying
bacterial potential physiological function. So it is more accurate to study correlation from RNA level as RNA translated
denitryfing oxide鄄reductase is realtime correlation of N2O emission.
Key Words: paddy soil; N application; N2O emission; abundance of denitrifying genes
氧化亚氮(N2O)是仅次于 CO2 和 CH4 的温室气体,全球人为释放的 N2O中有一半来自农田土壤,研究表
明农田土壤对 N2O释放的贡献率可高达 70% [1]。 农业土壤中 N2O 主要来源于微生物活动引起的硝化和反
硝化过程,当土壤中土壤充水孔隙度 (Water filling pore space,WFPS)较高时,氧气受限,N2O主要来自于反硝
化作用[2]。 反硝化作用会导致农田中施入的氮肥流失[3],造成氮肥利用率下降,因此研究和掌握土壤反硝化
作用的内在机理将有助于减排 N2O和降低环境污染。
稻田在世界上分布很广,其中 90%在亚洲地区,中国是世界上主要的水稻生产国,水稻田面积占世界的
28% [4]。 稻田土壤以厌氧环境为主,因此反硝化作用是稻田氮素转化的主要途径[5]。 近年来,国内外在稻田
土壤氮肥反硝化损失方面开展了大量研究,但是大多数研究都集中在土壤理化性质如氮源,碳源,水分,pH值
等对反硝化作用的影响[6鄄7],对微生物驱动机理了解很少。 然而反硝化作用都是由土壤中的微生物所参与的
生物化学过程,是由微生物机体所含的氧化还原酶催化的一系列反应,土壤理化性质只是间接的影响了微生
物的生存环境,从而改变了这些微生物的作用[8],因此了解微生物对反硝化过程的作用机理是研究氮素损失
的关键。
反硝化过程中主要有 4 种酶主导:硝酸还原酶,亚硝酸还原酶,一氧化氮还原酶,氧化亚氮还原酶。 硝酸
还原酶将硝酸还原成亚硝酸,是反硝化作用第一步反应的酶,此酶在微生物分为两类:膜结合硝酸还原酶
(Nar)和周质硝酸还原酶(Nap),研究最多的是膜结合硝酸还原酶(Nar) [9],Nar 的催化亚基由 narG 基因编
码。 氧化亚氮还原酶(Nos)是将氧化亚氮还原成氮气,是反硝化作用最后一步反应的酶,编码此酶的基因只
有 nosZ一种,nosZ也被广泛用作功能标志基因来研究环境样品中反硝化细菌[10鄄11]。
土壤中的大部分微生物是不可培养的,因此以传统微生物分离培养方法研究微生物会有一定的局限
性[12]。 随着分子生物学技术的发展,使人们从分子水平更全面地认识土壤微生物成为可能。 本研究以 narG,
nosZ基因作为反硝化功能靶标基因,通过室内培养试验研究施氮(NO-3 鄄N)后水稻土反硝化功能基因丰度的
变化,探讨施氮对 N2O释放和反硝化功能基因的影响,分析 N2O 释放与反硝化基因丰度之间的关系,从而揭
示反硝化过程中功能微生物与氮素损失的耦合机制。 研究结果对控制和减少 N2O 释放,提高稻田氮素利用
率等方面具有重要的理论意义。
1摇 材料与方法
1. 1摇 土壤样品采集
摇 摇 两个供试土样分别采自湖南省益阳市草尾镇(29毅08忆N, 112毅27忆E)和湖南省长沙县干杉乡(28毅53忆N,
7833摇 11 期 摇 摇 摇 郑燕摇 等:施氮对水稻土 N2O释放及反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度的影响 摇
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113毅14忆E),均为多年种植双季稻土壤,土壤分别为紫潮泥(P)和红黄泥(R),母质为湖积物和第四世纪红壤。
紫潮泥的粘粒(<0. 01 mm)含量约为 90% ,质地为壤粘土;红黄泥的粘粒(<0. 01 mm)含量约为 55% ,质地为
壤土。 土样采集时间为 2008 年 11 月,此时土壤处于晚稻收割后的落干状态。 按照 S取样法取表层 0—15 cm
土壤并混匀,风干后过 2 mm筛,放于 4 益保存。 土壤样品的理化性状见表 1。
表 1摇 土壤的理化性质
Table 1摇 Physical and chemical properties of the soil samples
样品
Samples
pH
(H2O)
速效钾
Available K
/ (mg / kg)
速效磷
Available P
/ (mg / kg)
有机质
Organic matter
/ (g / kg)
全碳
Total C
/ (g / kg)
全氮
Total N
/ (g / kg)
NO-3 鄄N
/ (mg / kg)
NH+4 鄄N
/ (mg / kg)
容重
Bulk density
/ (g / cm3)
紫潮泥(P) 7. 74 98. 02 10. 72 55. 70 32. 90 3. 20 33. 23 44. 82 1. 02
红黄泥(R) 5. 22 136. 04 48. 15 31. 30 16. 30 1. 90 1. 68 19. 72 1. 18
摇 摇 紫潮泥 Purple calcareous clayey soil; 红黄泥 Reddish yellow loamy soil
1. 2摇 试验设计
供试土壤均设 2 个处理,即不施氮对照(CK)和施氮处理(N),氮源为 KNO3,NO
-
3 鄄N用量为 200 mg / kg 干
土[13]。 取 4kg风干后土放入塑料桶中,加去离子水调至 40%WFPS,25 益预培养 5d,激活土壤微生物。 预培
养后的土壤均分为两份,一份只用去离子水调至 80%WFPS,另一份用含 KNO3 溶液调至 80%WFPS,使施入
氮量为 200 mg NO-3 鄄N kg
-1 干土。 将处理好的土样分装到 250 mL 的广口瓶中,每瓶土样 200 g,每个处理 9
瓶,根据监测 N2O释放规律试验结果,设置 3 个采气采样时间点(代表 N2O释放的上升区、高峰区和下降区),
分别为 24,48,72 h,重复 3 次,25 益条件下培养。 培养过程中瓶口盖上多孔锡箔纸,可以透气并能够减少水
分蒸发[14]。 采气时瓶口用橡胶塞封口并在 25 益条件下培养 2h[15],用 20 mL注射器抽推瓶中气体 3 次,使其
充分混匀,采集瓶中气体 10 mL于集气瓶中。 同时收集瓶中土壤样品,20 g土用于无机氮分析,30 g土冷冻干
燥后保存在-70 益用于 DNA提取,剩余存放于-70 益备用。
1. 3摇 N2O浓度,硝态氮和铵态氮测定
采用气相色谱(Hewlett 5890;Packard Series域)测定 N2O浓度,色谱柱为 Porsplot Q(3 m伊2 mm)。
称取 10 g土样,置于 100 mL塑料振荡瓶中,加入 50 mL 2 mol / L氯化钾,拧紧盖子,在振荡机上振荡 1 h。
用滤纸过滤悬浊液,将澄清滤液放入干净的试管中,采用连续流动分析仪测定(Flastar 5000 Analyzer)硝态氮
和铵态氮浓度。
1. 4摇 DNA的提取及浓度测定
DNA提取方法参考 Hurt等[16]。 土壤样品从-70 益冰箱取出后,冷冻干燥。 取 2 g 冷冻干燥土和 2 g 烘
干的无菌砂(粒径约为 0. 25 mm)放于预冷的研钵中。 倒入液氮,研磨约 5 min,将研磨后的样品放入 50 mL离
心管中,加入 15 mL提取液(100 mmol / L磷酸钠缓冲液 pH值 7. 0, 100 mmol / L Tris鄄Hcl pH值 7. 0, 100 mmol /
L EDTA pH值 8. 0, 1. 5 mmol / L NaCl,1%CTAB pH值 8. 0, 2% SDS pH 值 7. 2),65 益水浴 30 min,每隔 10
min摇动 1 次。 2000 r / min,4 益,离心 10 min。 将上清转移至 50 mL新离心管中,加入 20 mL预冷的氯仿 /异
戊醇(24颐1)。 原管中剩余上清与土样混匀后,65 益水浴 5 min,离心后第 2 次将上清移至 50 mL 离心管中。
上清与氯仿 /异戊醇轻柔混匀,2000 r / min,4 益,离心 20 min。 水相移至 50 mL新离心管中,加入 0. 6 倍体积
的异丙醇,室温沉淀 30 min。 10800 r / min,室温离心 20 min。 沉淀在无菌台干燥,100 滋L灭菌水溶解。
本方法是 DNA和 RNA共提取,需要用无 DNA酶的 RNA酶(Fermentas)去除 RNA,然后用紫外分光光度
计(Nanodrop ND1000)测定 DNA的浓度。
1. 5摇 实时 PCR
DNA样品进一步利用“总 DNA纯化回收试剂盒冶(天根)纯化后用于实时 PCR扩增。 本研究采用的实时
PCR引物见表 2。
8833 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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表 2摇 反硝化基因引物信息
Table 2摇 Primer sequences of denitrifying genes used for real time PCR
引物a
Primer
引物序列b(5忆鄄3忆)
Primer sequence
扩增片段长度
The length of amplified fragment / bp
参考文献
References
narG鄄 1960m2F TAY GTS GGG CAG GAR AAA CTG 110 [17]
narG鄄 2050m2R CGT AGA AGA AGC TGG TGC TGTT
nosZ1126F GGGCTBGGGCCRTTGCA 256 [18]
nosZ1381R GAAGCGRTCCTTSGARAACTTG
摇 摇 a: 上下游引物分别标注为 F和 R; b: W=AT, S=GC, Y=CT, M=AC, R=AG, K=GT, V=AGC
实时 PCR扩增所用的仪器为 ABI PRISM 7900(Applied Biosystems),所用反应体系及反应条件如下:narG
基因 10 滋L反应体系含有 0. 2 滋L(10 滋mol / L)上游引物,0. 2 滋L(10 滋mol / L)下游引物,5 滋L SYBR Premix Ex
Taq (Takara), 0. 2 滋L ROX Reference Dye (Takara),1 滋L(5 ng / 滋L)DNA模板。 扩增程序为:95 益变性 30 s;
95 益 5 s,60 益 30 s,72 益 20 s,40 个循环。 nosZ基因 10 滋L反应体系含有 0. 35 滋L(10 滋mol / L)上游引物,
0. 35 滋L(10 滋mol / L)下游引物,5 滋L SYBR Premix Ex Taq (Takara),0. 2 滋L ROX Reference Dye (Takara),1
滋L(5 ng / 滋L) DNA模板。 降落 PCR扩增程序为:95 益变性 30 s;95 益 5 s, 65—61 益 30 s(每个循环下降 1
益);95 益 5 s,60 益30 s,30 个循环。 标准曲线分别用含 narG和 nosZ基因的质粒为模板。
1. 6摇 数据分析
数据均使用 SPSS13. 0 分析,各处理 N2O释放量的差异和反硝化基因丰度的差异用单向方差分析(One鄄
Way ANOVE,LSD检验),反硝化基因丰度与 N2O释放量间之间的关系用双变量相关分析(Bivariate)。
2摇 结果与分析
2. 1摇 N2O释放规律
图 1摇 N2O释放量动态变化过程
摇 Fig. 1摇 The change of N2O emission in soils over incubation
紫潮泥不施氮对照(P鄄CK),紫潮泥施氮处理(P鄄N),红黄泥不施
氮对照(R鄄CK),红黄泥施氮处理(R鄄N);数值代表平均值( n = 3)
依标准误
施氮后两种供试土壤的 N2O 释放量短期内显著提
高(图 1)。 紫潮泥不施氮对照(P鄄CK)和红黄泥不施氮
(R鄄CK)的 N2O释放量随时间没有发生明显变化,平均
值分别为 0. 04 mg N2O h
- 1kg-1 干土和 0. 02 mg N2O
h-1kg-1 干土。 紫潮泥施氮处理(P鄄N)的 N2O 释放量呈
显著上升趋势,48 h(1. 19 mg N2O h
- 1kg-1 干土)和 72
h(1. 18 N2O h
- 1kg-1 干土) 的 N2O释放量显著高于 24
h(0. 69 mg N2O h
- 1kg-1 干土), 48 h 和 72 h 两个时期
的释放量没有显著差别;红黄泥施氮处理(R鄄N)释放在
48 h(1. 65 mg N2O h
- 1kg-1 干土)上升到最高峰,显著
高于 24 h(0. 87 mg N2O h
-1 kg-1 干土)和 72 h(1. 38 mg
N2O h
- 1kg-1 干土)。 红黄泥施氮处理的 N2O 释放量高
于紫潮泥施氮处理,3 个时期分别高出 26. 9% (24 h),
38. 7% (48 h)和 17. 0% (72 h)。
2. 2摇 硝态氮,铵态氮测定
预培养结束后,红黄泥 NO-3 鄄N浓度为 1. 31 mg / kg 干土,紫潮泥 NO
-
3 鄄N 浓度为 33. 23mg / kg 干土(表 1)。
进一步不施氮培养 72 h后,红黄泥 NO-3 鄄N浓度降到了<2 mg / kg干土,随着时间并未发生显著变化,平均值为
0. 76 mg / kg干土。 紫潮泥不施氮对照的 NO-3 鄄N浓度在 24h 时降低至 8. 46 mg / kg 干土,24h 后未发生显著变
化。 红黄泥施氮处理 NO-3 鄄N浓度从 145. 47 mg / kg干土(24h)下降到 86. 71 mg / kg干土(72 h),降低了 40% ;
紫潮泥施氮处理的 NO-3 鄄N浓度从 195. 78 mg / kg干土(24h)下降到 160. 62 mg / kg 干土(72 h),降低了 18% 。
9833摇 11 期 摇 摇 摇 郑燕摇 等:施氮对水稻土 N2O释放及反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度的影响 摇
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红黄泥施氮处理 72h内消耗的 NO-3 鄄N多于紫潮泥施氮处理。
土壤的 NH+4 的浓度随时间没有发生明显变化(表 3),平均值分别为:紫潮泥不施氮对照 43. 98 mg / kg 干
土,紫潮泥施氮处理 57. 00 mg / kg干土,红黄泥不施氮对照 22. 10 mg / kg 干土,红黄泥施氮处理 24. 35 mg / kg
干土,两种土壤施氮处理的平均 NH+4 浓度稍高于不施氮对照。
表 3摇 硝态氮,铵态氮浓度测定
Table 3摇 NO-3 鄄N concentration and NH+4 鄄N concentration
紫潮泥 Purple calcareous clayey soil
CK N
红黄泥 Reddish yellow loamy soil
CK N
硝态氮 24h 8. 46依1. 14 195. 78依1. 44 1. 78依0. 47 145. 47依4. 40
NO-3 鄄N concentration 48h 6. 24依0. 68 180. 92依4. 10 0. 23依0. 08 107. 55依6. 21
(mg NO-3 鄄N kg-1 干土) 72h 8. 68依1. 24 160. 62依4. 93 0. 27依0. 07 86. 71依4. 06
铵态氮 24h 45. 45依1. 58 57. 18依5. 86 19. 80依1. 44 23. 38依1. 29
NH+4 鄄N concentration 48h 46. 09依7. 25 54. 18依8. 56 20. 14依0. 68 23. 14依2. 95
(mg NH+4 鄄N kg-1 干土) 72h 40. 40依3. 43 59. 66依3. 55 25. 36依0. 69 26. 74依1. 36
2. 3摇 反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度
2. 3. 1摇 narG基因丰度
施氮使紫潮泥 narG基因丰度发生了显著变化(图 2),紫潮泥施氮处理 3 个时期的 narG 基因丰度显著高
于同时期的未施氮对照。 紫潮泥未施氮对照的 narG基因丰度未随时间发生显著变化,平均值为 1. 26伊108 拷
贝 / g干土;施氮处理的基因丰度随时间有显著上升趋势,72 h的 narG基因丰度(1. 94伊108 拷贝 / g 干土)显著
高于 24 h(1. 55伊108 拷贝 / g干土)。 施氮未使红黄泥 narG基因丰度发生显著变化(图 2),红黄泥不施氮对照
与同时期的施氮处理相比,narG基因丰度无显著差异。 红黄泥不施氮对照和施氮处理的基因丰度均随时间
有所上升,但并未达到显著差异,平均值分别为 2. 05伊107拷贝 / g干土和 2. 18伊107拷贝 / g干土。
图 2摇 narG基因的丰度在 72 h培养过程中的变化
Fig. 2摇 The change of narG gene over 72 h incubation
紫潮泥不施氮对照(P鄄CK),紫潮泥施氮处理(P鄄N),红黄泥不施氮对照(R鄄CK),红黄泥施氮处理(R鄄N);数值代表平均值(n = 3) 依标准误;
标准曲线的描述为:R2 =0. 989,y=-3. 31x+42. 89,E=100. 50%
2. 3. 2摇 nosZ基因丰度
施氮使紫潮泥 nosZ基因在 48 h时发生显著升高(图 3)。 施氮处理 48 h 的 nosZ 基因丰度(8. 29伊106 拷
贝 / g干土)显著高于不施氮对照,24 h和 72 h两个处理的基因丰度没有显著差别。 不施氮对照的 3 个时期基
因丰度没有发生显著变化,施氮处理的基因丰度随时间发生了明显变化,48 h的基因丰度显著高于 24 h和 72
h两个时期。 施氮未使红黄泥 nosZ基因丰度发生显著变化(图 3),不施氮对照和施氮处理的基因丰度在 3 个
0933 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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时期均无显著差别,但是两个处理的基因丰度均随时间提高,72 h的基因丰度显著高于其他两个时期。
图 3摇 nos Z的丰度在 72 h培养过程中的变化
Fig. 3摇 The change of nosZ gene over a 72 h incubation
紫潮泥不施氮对照(P鄄CK),紫潮泥施氮处理(P鄄N),红黄泥不施氮对照(R鄄CK),红黄泥施氮处理(R鄄N);数值代表平均值(n = 3) 依标准误;
标准曲线的描述为:R2 =0. 999,y=-3. 32x+34. 59,E=100. 08%
2. 3. 3摇 narG, nosZ的基因丰度与 N2O释放之间的关系
通过双变量相关分析发现,除了紫潮泥的 narG 基因丰度与 N2O 的释放存在显著相关性(R2 = 0. 81,P =
0郾 00)外,其它反硝化基因丰度与 N2O的释放均不存在显著相关性。 反硝化基因丰度(narG / nosZ)与 N2O释
放之间的关系见表 4。
表 4摇 反硝化基因丰度与 N2O释放之间的相关性
Table 4摇 The Correlationship Between Denitrification Gene Abundance And N2O Emission
紫潮泥 Purple calcareous clayey soil
narG nos Z
红黄泥 Reddish yellow loamy soil
narG nos Z
P 0. 00 0. 92 0. 16 0. 62
R2 0. 81 -0. 24 0. 11 -1. 27
3摇 讨论
3. 1摇 施氮对 N2O释放的影响
本研究结果表明,NO-3 鄄N的施入显著提高 N2O释放量(图 1)。 Bateman[2]和 Miller[19]等研究发现,当土壤
WFPS>70%时,土壤释放的 N2O基本上全部来自于反硝化作用。 前人的研究[8, 20鄄21]证明 NO
-
3 鄄N 的浓度是影
响反硝化速率和 N2O释放的重要因素,提高 NO
-
3 鄄N浓度会显著提高 N2O释放量。 当 NO
-
3 鄄N的浓度<10 mg /
kg干土,NO-3 鄄N浓度会成为限制 N2O释放的因素[19, 22]。 红黄泥预培养结束后 NO
-
3 鄄N浓度很低(<2 mg / kg干
土),因此红黄泥不施氮对照的 N2O排放量也一直很低;紫潮泥不施氮对照的 NO
-
3 鄄N浓度 24h 后一直小于 10
mg / kg干土, NO-3 鄄N浓度成为限制 N2O排放的因素,N2O 浓度在 24 h 后就一直维持在很低水平。 在施氮处
理中,红黄泥施氮处理的 N2O释放在 48 h达到最大值,72 h显著降低;而紫潮泥施氮处理在 48 h 和 72h N2O
释放水平没有显著差别,原因可能是其中高 NO-3 鄄N 的浓度抑制了 N2O 还原酶(nosZ)的活性,使 N2O 还原成
N2 的速率过慢[23],从而使 N2O释放量在 72 h没有显著下降。 图 1 结果表明,红黄泥施氮处理 3 个时期 N2O
释放量均高于紫潮泥施氮处理,这和红黄泥施氮处理 NO-3 鄄N消耗量较多有关(表 3),此结果可能与土壤质地
有关。 前人研究发现,土壤质地会影响土壤通透性,因而影响反硝化作用的相对强弱及 N2O在土壤中的扩散
速率,土壤质地还影响土壤有机碳的分解速率,进而影响产 N2O 微生物的基质供应[24]。 徐华等[25 的试验表
明,壤质土壤释放的 N2O高于砂质和粘质土壤。
1933摇 11 期 摇 摇 摇 郑燕摇 等:施氮对水稻土 N2O释放及反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度的影响 摇
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3. 2摇 施氮对 narG, nosZ的基因丰度的影响
已有研究结果表明,施氮(NO-3 鄄N)没有对红黄泥(R)的 nosZ 基因和 narG 基因丰度产生显著影响(图 2,
图 3),这与[8, 21, 26]相似。 Dandie 等[21]在利用实时 PCR 技术研究不同季节土豆地反硝化基因( nirK,nosZ,
cnorB)丰度变化的试验中发现,NO-3 鄄N是影响 N2O释放和反硝化速率的重要因素,但是却对反硝化基因丰度
影响很小;Mergel 等[26]也通过基因探针试验证明土壤反硝化基因丰度并不受 NO-3 鄄N浓度的影响;Wallenstein
等[8]指出 NO-3 鄄N的浓度并不是影响反硝化基因丰度的主要因素,基因丰度会受到 NO
-
3 鄄N以外的其它环境因
素如水分、碳含量、pH值等的影响。 在本试验中,施氮显著改变了紫潮泥(P)的反硝化基因 narG和 nosZ的丰
度,原因可能与紫潮泥(P)中较高的碳含量(表 1)有关。 Miller等[19]在研究短期内(72 h)碳源对小麦地反硝
化基因丰度影响的试验发现,施入 250 mg 葡萄糖鄄C / kg 土后,如果同时施入 50mg NO-3 鄄N / kg 土,其反硝化基
因 cnorB丰度显著高于只施碳不施氮的处理,说明在碳含量较高的情况下,充足的氮施入可以提高反硝化微
生物丰度。 由此推测,在较高碳含量条件下,氮的施入增加了反硝化活性[27],刺激紫潮泥中含有反硝化功能
基因(narG / nosZ)菌群生长,使其基因丰度得到显著提高。
3. 3摇 narG, nosZ的基因丰度与 N2O释放之间的关系
本试验中,除了紫潮泥的 narG基因外,反硝化功能基因丰度与 N2O 的释放量不相关。 众多的试验结果
表明,反硝化基因丰度和 N2O释放之间无明显相关性。 Dandie 等[21]利用实时 PCR研究不同季节土豆地反硝
化基因(nirK,nosZ,cnorB)丰度变化的试验中发现,反硝化基因的丰度与 N2O 释放量无关;Henderson 等[28]利
用实时 PCR技术研究短期内(72 h)农田土壤反硝化基因(nosZ,nirS)丰度变化的结果表明,反硝化基因丰度
和 N2O释放量之间没有相关性;Ma 等[29]在研究湿地反硝化基因丰度与 N2O 释放之间的关系发现, 70%
WFPS条件下,nosZ基因丰度与 N2O 释放之间并没有明确的相关性。 本研究中紫潮泥(P)的 narG 基因与
N2O释放之间的显著相关性,可能与紫潮泥(P)本身有较高的碳含量(表 1)有关。 从 DNA 水平研究反硝化
基因与 N2O释放之间的关系有一定的局限性[8],因为靶标基因可能并不全部参与表达,反硝化基因丰度仅仅
代表了反硝化微生物的潜在生理功能,与 N2O释放实时相关的表达能力需要通过 RNA水平,对其深入研究。
4摇 结论
本研究表明施氮(NO-3 鄄N)显著增加了两种水稻土 N2O 的释放量,但是施氮只提高了紫潮泥反硝化基因
的丰度。 紫潮泥基因丰度变化可能和本身较高的碳含量有关,表明土壤有机碳含量可能是影响反硝化微生物
的重要因素,未来进一步研究土壤有机质对反硝化过程的影响具有重要意义。 除了紫潮泥的 narG 基因外,
N2O的释放量和其它反硝化基因丰度间没有统计相关性,表明在 DNA 水平研究稻田土壤 N2O 排放的微生物
调控机制具有一定的局限性,进一步在 mRNA水平系统研究 N2O释放量与水稻土反硝化基因的之间的关系,
将能为制定合理的农田管理措施减少稻田氧化亚氮释放量,有效应对全球气候变化提供一定的科学依据。
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3933摇 11 期 摇 摇 摇 郑燕摇 等:施氮对水稻土 N2O释放及反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度的影响 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 11 June,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Controls of post鄄fire tree recruitment in Great Xing忆an Mountains in Heilongjiang Province
CAI Wenhua, YANG Jian, LIU Zhihua, et al (3303)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
The assessment of river health using Benthic鄄Index of biotic integrity for Wenyu River
YANG Liu,LI Yonghui, WANG Juncai, et al (3313)
…………………………………………………
………………………………………………………………………………
Consume of soil seeds of Betula albo鄄sinensis and Abies faxoniana in different natural successional stages of subalpine dark
coniferous forest in western Sichuan, China MA Jiangming, LIU Shirong, SHI Zuomin, et al (3323)……………………………
Habitat associations of understorey species spatial distribution in old growth broad鄄leaved Korean pine (Pinus koraiensis) forest
DING Shengjian, ZHANG Chunyu, XIA Fucai, et al (3334)
……
………………………………………………………………………
Nabkha morphology and sand鄄fixing capability of four dominant Caragana species in the desert region of the Inner Mongolia
Plateau ZHANG Yuanyuan, MA Chengcang, HAN Lei, et al (3343)……………………………………………………………
Growth dynamics,biomass allocation and ecological adaptation in Ceratocarpus arenarius L.
QUAN Dujuan, WEI Yan, ZHOU Xiaoqing, et al (3352)
……………………………………………
…………………………………………………………………………
A rapid assessment method for forest disaster based on MODIS / NDVI time series: a case study from Guizhou Province
SHI Hao, WANG Xiao, XUE Jianhui, et al (3359)
……………
………………………………………………………………………………
Soil cation exchange capacity and exchangeable base cation content in the profiles of four typical soils in the Xi鄄Shui Forest Zone
of the Qilian Mountains JIANG Lin, GENG Zengchao, LI Shanshan, et al (3368)………………………………………………
Impact of water and temperature on spring maize emergence speed and emergence rate
MA Shuqing, WANG Qi, L譈 Houquan, et al (3378)
………………………………………………
………………………………………………………………………………
Effect of N application on the abundance of denitrifying genes (narG / nosZ) and N2O emission in paddy soil
ZHENG Yan, HOU Haijun, QIN Hongling, et al (3386)
………………………
…………………………………………………………………………
Temporal鄄spatial variations of potential evapotranspiration and quantification of the causes in Northwest China
CAO Wen, SHEN Shuanghe, DUAN Chunfeng (3394)
………………………
……………………………………………………………………………
Analysis of ecosystem degradation and recovery using precipitation use efficiency and NDVI in the headwater catchment of the
Yellow River basin DU Jiaqiang, SHU Jianmin,ZHANG Linbo (3404)……………………………………………………………
An assessment method of Kandelia obovata population biomass JIN Chuan, WANG Jinwang, ZHENG Jian, et al (3414)……………
Quantitative characteristics and species composition of Artemisia sphaerocephala and A. ordosica communities in the Ulanbuh Desert
MA Quanlin,ZHENG Qingzhong,JIA Jujie,et al (3423)
…
……………………………………………………………………………
Photosynthesis and transpiration in relation to ion accumulation in Vitex trifolia under varied light intensity
ZHANG Ping,LIU Linde, BAI Xinfu, et al (3432)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Diffusion of elm seed rain in Otindag Sand Land GU Wei,YUE Yongjie,LI Gangtie,et al (3440)……………………………………
Effect of saline water irrigation on sand soil salt and the physiology and growth of Populus euphratica Oliv.
HE Xinlin, CHEN Shufei, WANG Zhenhua, et al (3449)
……………………………
…………………………………………………………………………
Regulation of exogenous nitric oxide on photosynthetic physiological response of Lolium perenne seedlings under NaHCO3 Stress
LIU Jianxin, WANG Jincheng, WANG Xin, et al (3460)
……
…………………………………………………………………………
Longitude gradient changes on plant community and soil stoichiometry characteristics of grassland in Hulunbeir
DING Xiaohui,LUO Shuzheng, LIU Jinwei,et al (3467)
………………………
……………………………………………………………………………
Concentrations and distributions of selenium and heavy metals in Hainan paddy soil and assessment of ecological security
GENG Jianmei,WANG Wenbin,WEN Cuiping,et al (3477)
……………
………………………………………………………………………
Heavy metal contents and evaluation of farmland soil and wheat in typical area of Jiangsu Province
CHEN Jingdu, DAI Qigen, XU Xuehong, et al (3487)
……………………………………
……………………………………………………………………………
The studies on the food web structures and trophic relationships in Guangxi Dongfang Cave by means of stable carbon and nitro鄄
gen isotopes LI Daohong, SU Xiaomei (3497)……………………………………………………………………………………
Analysis of bacterial diversity in the Songhua River based on nested PCR and DGGE
TU Teng, LI Lei, MAO Guannan, et al (3505)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Preliminary delineation and classification of estuarine drainage areas for major coastal rivers in China
HUANG Jinliang, LI Qingsheng, HUANG Ling, et al (3516)
…………………………………
………………………………………………………………………
Estimation of spatial and seasonal changes in phytoplankton primary production in Meiliang Bay, Lake Taihu, based on the
Vertically Generalized Production Model and MODIS data YIN Yan, ZHANG Yunlin, SHI Zhiqiang, et al (3528)……………
Viability and changes of physiological functions in the tiger frog (Hoplobatrachus rugulosus) exposed to cold stress
WANG Na, SHAO Chen, XIE Zhigang, et al (3538)
…………………
………………………………………………………………………………
Community structure and abundance dynamics of soil collembolans in transgenic Bt rice paddyfields
ZHU Xiangyu, LI Zhiyi, CHANG Liang, et al (3546)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Morphological characteristics and microsatellite DNA genetic diversity of Nigeria African honey bee, Anhui Apis mellifera and
theirs hybrid generation域 YU Linsheng, XIE Wenfei, WU Houchang,et al (3555)………………………………………………
Effects of social鄄demographic factors on the recreational service of park wetlands in Beijing
LI Fen, SUN Ranhao, CHEN Liding (3565)
……………………………………………
………………………………………………………………………………………
Co鄄integration theory鄄based analysis on relationships between economic growth and eco鄄environmental changes: taking the south鄄
east district in Chongqing city as an example XIAO Qiang, HU Dan, XIAO Yang, et al (3577)………………………………
The cooperative environmental game model in the Tidal River Network Regions and its empirical research
LIU Honggang, CHEN Xingeng, PENG Xiaochun (3586)
……………………………
…………………………………………………………………………
Review and Monograph
Review of eco鄄efficiency accounting method and its applications YIN Ke, WANG Rusong, ZHOU Chuanbin, et al (3595)…………
Overview on the 6th international symposium on modern ecology series of 2011 WEN Teng, XU Delin, XU Chi, et al (3606)………
Discussion
Scale analysis of environmental factors and their relationship with the size of hierarchical aquatic ecoregion: a case study in the
Liao River basin LIU Xingcai, XU Zongxue, ZHANG Shurong, et al (3613)……………………………………………………
Scientific Note
Effects of different light intensities on activities of the primary defense proteins in needles of Larix gmelinii
LU Yifang, SHI Lei, YAN Shanchun (3621)
…………………………
………………………………………………………………………………………
An analysis of photosynthetic parameters among Schima superba provenances
XIONG Caiyun, ZENG Wei, XIAO Fuming, et al (3628)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Research on three small鄄scale agricultural ecological鄄economic systems in Shenzhen City based on emergy analysis
YANG Zhuoxiang, GAO Yang, ZHAO Zhiqiang, et al (3635)
…………………
……………………………………………………………………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 11 期摇 (2012 年 6 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
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(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 32摇 No郾 11 (June, 2012)
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