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生物硝化抑制剂对黔西南黄壤硝化作用及NO排放的影响

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土壤 2023年

作者：华瑶陆玉芳高维常祖韦军施卫明郭亚利贵州省烟草科学研究院烟草行业山地烤烟品质与生态重点实验室土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 贵州省烟草公司黔西南州公司贵州省毕节市农业生态环境与资源保护站

为探索生物硝化抑制剂对贵州黔西南地区黄壤硝化作用及氧化亚氮(N2O)排放的影响,通过3周的室内培养试验,研究两种生物硝化抑制剂(对羟基苯丙酸甲酯(MHPP)和丁香酸(SA))对黄壤中的无机态氮素含量、氨氧化微生物功能基因以及N2O排放量的... 详细信息

为探索生物硝化抑制剂对贵州黔西南地区黄壤硝化作用及氧化亚氮(N2O)排放的影响,通过3周的室内培养试验,研究两种生物硝化抑制剂(对羟基苯丙酸甲酯(MHPP)和丁香酸(SA))对黄壤中的无机态氮素含量、氨氧化微生物功能基因以及N2O排放量的影响。结果表明,与对照CK相比,MHPP和SA在黄壤上均能明显抑制硝化作用,对土壤硝化速率的抑制率分别为6%～43%和5%～51%。MHPP和SA均抑制了黄壤氨氧化古菌AOA(12%～22%,27%～41%)与氨氧化细菌AOB(6%～19%,26%～46%)amoA基因的丰度。整个培养期内,黄壤NO3--N含量与AOB的amoA基因丰度显著正相关,而与AOA的amoA基因丰度无显著相关,表明AOB对黄壤硝化作用起了主导作用。在N2O排放方面,MHPP和SA分别显著抑制了黄壤51%和21%的N2O排放积累量,MHPP的减排效果优于SA。MHPP降低了黄壤N2O排放的峰值,而SA主要延缓了黄壤N2O排放高峰的出现。总之,生物硝化抑制剂MHPP和SA在贵州黔西南黄壤上具有氮肥减施增效的潜力,这为今后烤烟新型绿色专用肥的开发提供了理论依据。

关键词：硝化作用生物硝化抑制剂黄壤硝化速率氨氧化微生物 N O

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生物硝化抑制剂的研究进展及其农业应用前景

土壤学报 2021年第3期58卷 545-557页

作者：陆玉芳施卫明土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008

在我国农业集约化以及高投入的生产模式下,氮肥利用率较低。相当部分的氮肥以氨(NH_(3))、硝酸盐(NO_(3)^(-))以及温室气体氧化亚氮(N_(2)O)等形式损失至环境中,造成生产成本增加,并加剧了生态环境污染。硝化作用是土壤氮循环的关键转... 详细信息

在我国农业集约化以及高投入的生产模式下,氮肥利用率较低。相当部分的氮肥以氨(NH_(3))、硝酸盐(NO_(3)^(-))以及温室气体氧化亚氮(N_(2)O)等形式损失至环境中,造成生产成本增加,并加剧了生态环境污染。硝化作用是土壤氮循环的关键转化过程,与农田氮素损失密切相关。一些植物的根系能产生和分泌抑制硝化作用的物质,被称为生物硝化抑制剂(BNIs),如果加以利用,是一种高效且环境友好的氮素管理对策。系统总结了国内外生物硝化抑制剂研究领域的重要进展,探讨了根系分泌生物硝化抑制剂的意义、物质种类和功能、分泌及作用机制。以往研究仅认为BNIs是自然生态系统中植物适应低氮环境的一种保氮生存机制,主要关注热带牧草和高粱,本文提出了BNIs在高氮投入的农业生态系统中同样重要,以及相当的粮食作物品种具有高BNI活性的观点,并讨论了其在农业中提高氮素利用率和减少环境污染方面的应用前景,为未来BNIs技术及产品的开发、提升农产品品质、及推动现代农业绿色发展提供借鉴。

关键词：生物硝化抑制剂硝化作用根系分泌物氮素利用率农业绿色发展

不同生物硝化抑制剂对红壤性水稻土N_(2)O排放的影响及其机制

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土壤 2024年第1期56卷 19-27页

作者：马明坤陆玉芳王方嘉俞海冰施卫明土壤与农业可持续发展重点实验室(中国科学院) 南京210008 中国科学院大学北京100049

为揭示不同生物硝化抑制剂(BNIs)对红壤性水稻土N2O排放的影响差异及作用机制,通过21 d的土柱淹水培养试验,比较了三种BNIs 1,9-癸二醇(1,9-D)、亚麻酸(LN)和3-(4-羟基苯基)丙酸甲酯(MHPP)与化学合成硝化抑制剂双氰胺(DCD)对土壤N_(2)O... 详细信息

为揭示不同生物硝化抑制剂(BNIs)对红壤性水稻土N2O排放的影响差异及作用机制,通过21 d的土柱淹水培养试验,比较了三种BNIs 1,9-癸二醇(1,9-D)、亚麻酸(LN)和3-(4-羟基苯基)丙酸甲酯(MHPP)与化学合成硝化抑制剂双氰胺(DCD)对土壤N_(2)O排放及相关硝化、反硝化功能基因的影响。结果表明:不同BNIs(1,9-D、LN、MHPP)可以显著平均降低土壤N_(2)O日排放峰值40.1%;1,9-D和MHPP可分别抑制N_(2)O排放总量44.5%和43.9%,而DCD和LN对N2O排放总量没有显著影响。1,9-D和MHPP对AOA(氨氧化古菌)、AOB(氨氧化细菌)硝化菌和nirS、nirK型反硝化菌的调控均有所不同,1,9-D可以同时抑制AOA、AOB和nirS微生物的生长;MHPP仅可以抑制AOA的生长;其中,AOA-amoA和nirS基因丰度与土壤N_(2)O的排放呈显著正相关关系。同时,1,9-D和MHPP均增加了nosZ基因丰度及其与AOA-amoA+AOB-amoA、nirS+nirK和AOA-amoA+AOB-amoA+nirS+nirK的比值,且nosZ基因丰度及其相关比值与土壤N2O排放均呈显著负相关关系。总之,生物硝化抑制剂1,9-D和MHPP引起的AOA-amoA和nosZ基因丰度变化在红壤性水稻土N_(2)O减排方面发挥了重要的作用。

关键词：生物硝化抑制剂红壤性水稻土 N_(2)O AOA-amoA nosZ

不同生物硝化抑制剂对红壤性水稻土NO排放的影响及其机制

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土壤 2024年

作者：马明坤陆玉芳王方嘉俞海冰施卫明土壤与农业可持续发展重点实验室(中国科学院) 中国科学院大学

为揭示不同生物硝化抑制剂(BNIs)对红壤性水稻土N2O排放的影响差异及作用机制，通过21d的土柱淹水培养试验，比较了三种BNIs 1,9-癸二醇(1,9-D)、亚麻酸(LN)和3-(4-羟基苯基)丙酸甲酯(MHPP)与化学合成硝化抑制剂双氰胺(DCD)对土壤N2O排... 详细信息

为揭示不同生物硝化抑制剂(BNIs)对红壤性水稻土N2O排放的影响差异及作用机制，通过21d的土柱淹水培养试验，比较了三种BNIs 1,9-癸二醇(1,9-D)、亚麻酸(LN)和3-(4-羟基苯基)丙酸甲酯(MHPP)与化学合成硝化抑制剂双氰胺(DCD)对土壤N2O排放及相关硝化、反硝化功能基因的影响。结果表明：不同BNIs(1,9-D、LN、MHPP)可以显著平均降低土壤N2O日排放峰值40.1%;1,9-D和MHPP可分别抑制N2O排放总量44.5%和43.9%，而DCD和LN对N2O排放总量没有显著影响。1,9-D和MHPP对AOA(氨氧化古菌)、AOB(氨氧化细菌)硝化菌和nirS、nirK型反硝化菌的调控均有所不同，1,9-D可以同时抑制AOA、AOB和nirS微生物的生长；MHPP仅可以抑制AOA的生长；其中，AOA-amoA和nirS基因丰度与土壤N2O的排放呈显著正相关关系。同时，1,9-D和MHPP均增加了nosZ基因丰度及其与AOA-amoA+AOB-amoA、nirS+nirK和AOA-amoA+AOB-amoA+nirS+nirK的比值，且nosZ基因丰度及其相关比值与土壤N2O排放均呈显著负相关关系。总之，生物硝化抑制剂1,9-D和MHPP引起的AOA-amoA和nosZ基因丰度变化在红壤性水稻土N2O减排方面发挥了重要的作用。

关键词：生物硝化抑制剂红壤性水稻土 N2O AOA-amoA nosZ

生物炭及生物硝化抑制剂添加对黄土区设施菜地土壤温室气体排放的影响

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中国土壤与肥料 2023年第8期 50-58页

作者：王娟高晶波何建平姜振辉 Sajjad Raza 山西大同大学农学与生命科学学院山西大同037009 中国科学院植物研究所北京100093 南京信息工程大学地理科学学院江苏南京210044

通过室内培养试验研究生物炭及生物硝化抑制剂添加对黄土区设施菜地土壤N_(2)O和CO_(2)排放的影响,并与化学合成硝化抑制剂作对比。试验设置6个处理:不施肥(CK)、施氮(N)、施氮+生物炭(N+BC)、施氮+双氰胺(N+DCD)、施氮+苦楝油(N+NEEM)... 详细信息

通过室内培养试验研究生物炭及生物硝化抑制剂添加对黄土区设施菜地土壤N_(2)O和CO_(2)排放的影响,并与化学合成硝化抑制剂作对比。试验设置6个处理:不施肥(CK)、施氮(N)、施氮+生物炭(N+BC)、施氮+双氰胺(N+DCD)、施氮+苦楝油(N+NEEM)和施氮+对羟基苯丙酸甲酯(N+MHPP)。结果表明,与CK处理相比,各施氮处理均显著增加了土壤矿质态氮含量及N_(2)O和CO_(2)累积排放量,其中,以N处理最高。与N处理相比,N+DCD处理显著降低了土壤NO_(3)^(-)-N含量,而增加了土壤NH_(4)^(+)-N含量,其他处理无显著差异。培养结束时,N+BC、N+DCD、N+NEEM和N+MHPP处理均显著降低了N_(2)O和CO_(2)累积排放量,其中,N_(2)O降低幅度分别为21.9%、71.4%、19.5%和37.9%,CO_(2)降低幅度分别为12.0%、35.7%、15.8%和10.4%。试验表明,黄土区设施菜地土壤施用生物炭及生物硝化抑制剂对温室气体减排效果显著,但在当前添加量下其减排效果仍不及化学合成硝化抑制剂双氰胺处理。

关键词：黄土区设施菜地生物炭生物硝化抑制剂 N_(2)O排放

生物硝化抑制剂——一种控制农田氮素流失的新策略

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土壤学报 2012年第2期49卷 382-388页

作者：曾后清朱毅勇王火焰沈其荣南京农业大学资源与环境科学学院南京210095 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008

农业生产中氮肥的施用是影响全球氮素循环的一个重要因素,在促进作物增产的同时,也对生态环境产生了重要的影响。由于铵态氮肥在旱地中很容易经过硝化作用转变为硝态氮,其中一小部分为植物所吸收,而大量的硝态氮被淋失,或经反硝化作用... 详细信息

农业生产中氮肥的施用是影响全球氮素循环的一个重要因素,在促进作物增产的同时,也对生态环境产生了重要的影响。由于铵态氮肥在旱地中很容易经过硝化作用转变为硝态氮,其中一小部分为植物所吸收,而大量的硝态氮被淋失,或经反硝化作用进入大气,造成土壤氮素严重损失。自然界中一些植物的根系能够分泌抑制硝化作用的物质,被称为生物硝化抑制剂,因而可以显著提高土壤氮素利用率。本文阐述了有关生物硝化抑制剂的由来、分泌调节、作用机制及其应用潜力,并探讨了其在农业生产中氮素高效管理等方面的应用前景。

关键词：硝化作用生物硝化抑制剂氮素利用率

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生物硝化抑制剂在农业中的应用效果研究

生物硝化抑制剂在农业中的应用效果研究

作者：胡军南京农业大学

学位级别：硕士

硝化作用是导致土壤中氮素流失的一个重要原因,而目前世界上大部分农田都存在硝化作用,这主要是因为土壤中的氨氧化细菌和氨氧化古菌以及硝化细菌等微生物没有受到控制。硝化抑制剂(nitrification inhibitor简称NI)是一种可以专一性抑... 详细信息

硝化作用是导致土壤中氮素流失的一个重要原因,而目前世界上大部分农田都存在硝化作用,这主要是因为土壤中的氨氧化细菌和氨氧化古菌以及硝化细菌等微生物没有受到控制。硝化抑制剂(nitrification inhibitor简称NI)是一种可以专一性抑制氨氧化细菌以及氨氧化古菌将铵态氮氧化为亚硝态氮的化合物,因此可以减少农田中硝态氮的积累,以免其淋失对环境造成污染。BNI (biological nitrification inhibitor)是植物根系分泌的具有硝化抑制作用的天然化合物。NI和BNI都能够抑制铵的氧化从而减缓硝态氮淋失,对氮肥利用率的提高和生态环境保护都具有重要的作用。本试验采用温室盆栽试验研究高粱根系分泌物对土壤中氨氧化细菌与古菌的种群及数量的抑制效果。在大田实验中,用人工合成硝化抑制剂验证其田间作用效果。最后采用水培方法研究影响高粱分泌生物硝化抑制剂的因素。通过多种试验方式相结合,完整地研究了硝化抑制剂和生物硝化抑制剂的作用效果与可能的作用机制。盆栽试验证明了高粱根系分泌物在其根际具有硝化抑制作用,显著地抑制了亚硝化细菌的数量与多样性。田间试验证明了硝化抑制剂在一定氮肥施用水平(12kgN/亩)下具有增产效果。水培试验发现了不同氮素形态和不同pH都是影响高粱生物硝化抑制剂分泌的因素：铵态氮可以促进根系分泌硝化抑制剂;低pH更有利于高粱对硝化抑抑制剂的分泌。

关键词：硝化作用硝化抑制剂生物硝化抑制剂高粱

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生物硝化抑制剂的抑制原理及其研究进展

江苏农业科学 2019年第1期47卷 21-26页

作者：张洋李雅颖郑宁国姚槐应中国科学院城市环境研究所福建厦门361021 中国科学院宁波城市环境观测研究站浙江宁波315800 中国科学院大学北京100049

为维持和提高农作物产量,大量氮肥施入农田生态系统中。所施入的氮肥通过硝化过程形成硝态氮,其易淋溶或通过反硝化作用损失,造成大量氮素流失,影响农业生产的可持续性且带来生态环境问题。硝化抑制剂可抑制硝化作用,而植物根系分泌的... 详细信息

为维持和提高农作物产量,大量氮肥施入农田生态系统中。所施入的氮肥通过硝化过程形成硝态氮,其易淋溶或通过反硝化作用损失,造成大量氮素流失,影响农业生产的可持续性且带来生态环境问题。硝化抑制剂可抑制硝化作用,而植物根系分泌的生物硝化抑制剂以其成本低、环境友好等优点逐渐引起关注。本文综述了国内外植物源硝化抑制剂的研究进展,包括分泌生物硝化抑制剂的植物种类、生物硝化抑制剂的作用机制及影响因素;总结了生物硝化抑制剂对农业的影响及对生态环境的保护作用,并从农业生产和环境保护的角度出发,对今后生物硝化抑制剂的研究方向进行了展望。

关键词：生物硝化抑制剂农业系统生态环境氮循环

抑制剂对土壤氨氧化微生物驱动的硝化作用的影响及筛选研究

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抑制剂对土壤氨氧化微生物驱动的硝化作用的影响及筛选研究

作者：孙东旭山东农业大学

学位级别：硕士

农业生态系统中的硝化作用一直以来都是科学研究的重点领域,减缓硝化作用可以有效提高作物的氮素利用率并减少环境污染。在施肥过程中,大量的尿素或铵基氮肥施入土壤加速了氮素循环,导致硝酸盐(NO)流失并产生温室气体氧化亚氮(NO)。农... 详细信息

农业生态系统中的硝化作用一直以来都是科学研究的重点领域,减缓硝化作用可以有效提高作物的氮素利用率并减少环境污染。在施肥过程中,大量的尿素或铵基氮肥施入土壤加速了氮素循环,导致硝酸盐(NO)流失并产生温室气体氧化亚氮(NO)。农业生态系统中的NO排放和NO淋失是导致面源污染和氮素利用率降低的主要原因,这两者都是由土壤硝化作用造成的。在土壤中通过尿素配施硝化抑制剂(NIs)以调节氨氧化微生物(AOM)的群落组成是一个非常活跃的研究领域,但目前市场上的大多数硝化抑制剂都是针对氨氧化细菌(AOB)。随着分子生态学技术的不断发展,土壤中主导氨氧化过程的微生物主要有三大种类,包括AOB、氨氧化古菌(AOA)和完全氨氧化细菌(Comammox),它们在土壤中的生态位及其对氨氧化作用的贡献存在很大差异。因此,有必要研究针对AOA和Comammox的硝化抑制剂,用于探讨其对土壤硝化和NO产生的影响,为筛选新型生物源硝化抑制剂提供方向,以期达到精准调控硝化作用,降低NO排放,提高氮素肥效的目的。本研究分别使用双氰胺(DCD)、Carboxy-PTIO(PTIO)和氯酸钠(Na Cl O)作为AOB、AOA和Comammox的硝化抑制剂,研究它们对长期不施氮土壤(NPK)和长期常量施氮土壤(NPK)中硝化作用、NO排放和AOM丰度的影响。结合N同位素示踪技术,分析了NIs对硝化作用和NO排放的影响。另外,本研究通过探索油橄榄果渣(OP)、油橄榄榨油皂脚深加工废液(OL)作为一种新型生物源硝化抑制剂(BNIs)的可能性,以DCD作为对照,简要探究了OP和OL对土壤中尿素转化的影响。主要研究结果如下:(1)尿素配施DCD(U+DCD)和尿素配施氯酸钠(U+Na Cl O)处理均会抑制NPK和NPK土壤的硝化作用,DCD的抑制效果大于Na Cl O。尿素配施PTIO(U+PTIO)处理加速了NPK土壤的硝化进程,对NPK土壤的硝化作用没有表现出抑制效果。(2)土壤中的氮素水平显著影响土壤NO的排放,第7天和第28天NPK各处理均高于同时期的NPK各处理NO的排放。三种抑制剂中,只有DCD显著降低了NPK和NPK土壤中的NO累积排放量,分别为78.9%和95.4%。NPK土壤中,U+PTIO处理由于加速了硝化进程,使其NO的累积排放量在培养第7天和第28天均显著高于仅添加尿素处理(U处理)。NPK土壤中,U+Na Cl O处理抑制了亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的丰度,促进了反硝化过程,NO累积排放量显著高于其它处理。Na Cl O虽然可以抑制硝化作用,但对NO排放没有抑制作用。(3)U+DCD处理显著抑制NPK和NPK土壤中的AOB amo A基因丰度,同时增加了AOA amo A基因丰度。NPK土壤中,U+PTIO处理显著抑制AOA amo A基因丰度,在第7天和第28天分别降低了51%和73.3%,同时增加了113.3%～359.9%的AOB amo A基因丰度;NPK土壤中,U+PTIO处理对AOA amo A基因丰度没有抑制作用,对AOB也没有影响。培养第7天,Na Cl O和PTIO可以抑制Comammox amo A基因丰度,培养28天后,Comammox恢复生长,并且Comammox丰度的降低没有影响AOB丰度的变化。培养第28天,与U处理相比,U+Na Cl O处理显著降低了NPK和NPK土壤中NOB功能基因丰度。(4)AOB丰度与AOA丰度呈高度负相关(r=-0.82,P硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)和亚硝基螺菌属(Nitrosospira)亲缘关系近。NPK土壤中,Nitrosospira被DCD显著抑制其丰度,它可能是NO排放的关键影响因子。(6)与DCD相比,尿素配施油橄榄榨油皂角深加工废液可以很大程度上将土壤氮素以NH的形式的留存于土壤中,推测主要是橄榄榨油皂角深加工废液中的脂溶性物质对土壤氮素进行有效固持。生物源硝化抑制剂(BNIs)的开发将对我国发展绿色农业,推动资源利用可持续,推动绿色新型高效氮肥产品的研发,具有长远的现实意义。

关键词：氧化亚氮一氧化氮清除剂氮缺乏土壤生态位平衡和限制生物硝化抑制剂