研究簡介：水稻土是大氣中一氧化二氮（NO）的重要人為來源，一氧化二氮是一種強(qiáng)大的溫室氣體，也是平流層臭氧消耗的主要催化劑。鐵斑塊位于水稻土的根-土界面，位于好氧和厭氧微環(huán)境之間的邊界，使其能夠連接水稻土中的氧化還原過程。盡管土壤氮循環(huán)與Fe的生物地球化學(xué)的耦合已被廣泛報(bào)道，目前尚不清楚Fe和N循環(huán)的耦合在多大程度上促進(jìn)了水稻土壤的NO排放。需要這些信息來制定稻田N2O減排戰(zhàn)略。本論文主要研究了水稻根系鐵膜（Fe plaque）對水稻田土壤N?O排放的影響及其機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，鐵膜通過Fe(II)氧化耦合反硝化作用顯著增強(qiáng)了N?O排放，鐵膜的存在使N?O和N?的排放量增加一倍，并且在根際土壤中促進(jìn)了鐵氧化還原細(xì)菌和反硝化功能基因的豐度。實(shí)驗(yàn)表明，在水培條件下，鐵膜僅在NO??存在時(shí)促進(jìn)N?O排放，而在NH??存在時(shí)則無此效應(yīng)。此外，螯合鐵膜中的Fe(II)可消除其對N?O排放的促進(jìn)作用，而向無鐵膜的根系添加Fe(II)則會(huì)增加N?O排放。微生物群落分析顯示，鐵膜顯著改變了根際微生物群落結(jié)構(gòu)，增加了與鐵循環(huán)相關(guān)的細(xì)菌相對豐度，如Thermomonas、Pseudomonas和Thiobacillus等，這些細(xì)菌也與土壤中N?O的產(chǎn)生和還原有關(guān)。鐵膜處理的微生物群落具有更高的N?O排放潛力，表現(xiàn)為更高的nirS/nosZ基因比值。研究表明，鐵膜通過Fe(II)氧化耦合反硝化作用促進(jìn)了N?O排放。這一發(fā)現(xiàn)表明，鐵膜是水稻田土壤中N?O排放和氮損失的“熱點(diǎn)”。為了減少水稻田土壤中的N?O排放和氮損失，需要考慮限制鐵膜的影響。可能的管理措施包括施用磷肥以減少鐵膜形成，以及通過增加土壤pH值和O?濃度（如石灰化和排水）來降低可溶性Fe(II)的可用性。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用于研究水稻根際土壤中pH和溶解態(tài)N?O濃度的空間分布動(dòng)態(tài)。在水稻根際土壤中，Unisense微電極用于監(jiān)測從根際中心到相鄰非根際區(qū)域（0–6厘米）的溶解態(tài)N?O濃度和pH值的變化。unisense微電極系統(tǒng)通過監(jiān)測根際土壤中N?O和pH的微尺度變化，研究人員能夠驗(yàn)證鐵膜是否通過影響根際微環(huán)境來促進(jìn)N?O的排放。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，F(xiàn)e斑塊通過Fe（II）氧化耦合反硝化作用增強(qiáng)了水稻土壤中的N2O和N2的排放。考慮到Fe斑塊廣泛存在于濕地植物的根部，有必要考慮Fe斑塊在預(yù)測N2O通量和制定濕地土壤有效緩解策略方面的促進(jìn)作用。旨在減少Fe斑塊形成和可溶性Fe（II）可用性的田間管理可能會(huì)削弱Fe斑塊對濕地土壤NO排放和N損失的促進(jìn)作用。首先，先前曾報(bào)道磷酸鹽缺乏會(huì)誘導(dǎo)Fe斑塊。因此通過施用磷肥來緩解磷酸鹽缺乏癥可以通過減少Fe斑塊的形成來減輕Fe斑塊誘導(dǎo)的N2O排放。其次，據(jù)報(bào)道，可溶性Fe（II）濃度隨著pH值和臭氧濃度的增加而降低。因此Fe（II）氧化耦合反硝化作用對N2O排放的增強(qiáng)也可以通過旨在提高土壤pH值和臭氧濃度的田間管理（例如，通過石灰和排水）來緩解。

圖1、無和有鐵斑塊的水稻土壤中水稻根系鐵含量（a）、NO和Nemission速率（b和c）以及NO/（NOtN）生產(chǎn)比（d）的時(shí)間動(dòng)態(tài)。IP和CK分別代表存在和不存在Fe斑塊的水稻幼苗。

圖2、鐵斑塊對水稻土中pH值（a）和溶解性N2O濃度（b）的空間動(dòng)力學(xué)影響，沿根際中心到相鄰的非根際方向（土壤深度：3.5 cm）。將水稻幼苗移栽到水稻土中后第5天測定pH值和溶解N2O濃度。IP和CK分別代表存在和不存在Fe斑塊的水稻幼苗。

圖3、鐵斑對水培條件下N2O排放的影響。（a）在有氧環(huán)境（21%氧氣）下，裝有1.25 mmol硝酸根或銨離子溶液的血清瓶中頭空間N2O濃度的隨時(shí)間變化情況；（b）在無氧環(huán)境（高純氦氣）下，裝有1毫摩爾硝酸根且經(jīng)過滅菌或新鮮的IP根的血清瓶中頭空間N2O濃度；（c）在無氧環(huán)境（高純氦氣）下，裝有1 mmol硝酸根且有或沒有0.1毫摩爾EDTA-2Na溶液的血清瓶中頭空間N2O濃度的隨時(shí)間變化情況；（d）在無氧環(huán)境（高純氦氣）下，裝有1毫摩爾硝酸根且有或沒有0.6 mmol Fe(II)溶液的血清瓶中頭空間N2O濃度的隨時(shí)間變化情況；IP和CK分別代表存在和不存在鐵斑的水稻幼苗。

圖4、Fe斑塊對根際土壤和根表面amoA（a）、narG豐度（b）、nirK豐度（c）、nirS豐度（d）、nosZ豐度（e）和nirS/nosZ比值（f）基因豐度的影響。IP和CK分別代表存在和不存在Fe斑塊的水稻幼苗。數(shù)據(jù)代表平均SD（n 1/4 3），不同的字母表示兩種處理之間的顯著差異，p<0.05。

圖5、Fe斑塊對棲息在根（RM）和根際土壤（RS）的細(xì)菌群落組成的影響。（a）基于焦磷酸測序檢測到的OTU數(shù)量的微生物群落結(jié)構(gòu)的非度量多維標(biāo)度（NMDS）排序圖（插圖：CK和IP根際土壤的NMDS排序圖）。（b）典型Fereduction（紅色文本）和Fe氧化（黑色文本）細(xì)菌的相對豐度。IP和CK分別代表存在和不存在Fe斑塊的水稻幼苗。

結(jié)論與展望

鐵（Fe）斑塊，被定義為沉積在水稻根部表面的結(jié)晶度差的鐵氧化物薄膜，有可能介導(dǎo)稻田土壤中的N2O排放。本研究旨在測試鐵斑塊是否以及如何影響稻田土壤中的N2O生成和還原。通過培養(yǎng)水稻幼苗，使鐵斑塊存在或不存在。當(dāng)鐵斑塊存在時(shí)，N2O和N2的排放量均翻倍，根際土壤中鐵氧化還原細(xì)菌和反硝化功能基因的豐度均升高。在水培條件下，鐵斑塊在有硝酸鹽（NO3?）存在時(shí)促進(jìn)N2O排放，但在有銨離子（NH??）存在時(shí)則不促進(jìn)。此外，螯合鐵（II）消除了鐵斑塊對N2O排放的促進(jìn)作用，而向無鐵斑塊的根部添加鐵（II）則增加了N2O排放。這些結(jié)果表明鐵斑塊主要通過鐵（II）氧化耦合反硝化作用促進(jìn)土壤N2O排放和氮素?fù)p失。研究結(jié)果表明，鐵斑塊是稻田土壤中N2O排放和氮素?fù)p失的熱點(diǎn)區(qū)域。減少稻田土壤中N2O排放和氮素?fù)p失應(yīng)考慮限制鐵斑塊影響的方法。Unisense微電極系統(tǒng)在本文中發(fā)揮了重要的作用，通過高精度測量根際土壤中的溶解態(tài)N?O濃度和pH值，為研究鐵膜對N?O排放的影響提供了重要數(shù)據(jù)支持。其高空間分辨率和無損檢測能力使其成為研究微尺度環(huán)境變化的理想工具。