Rice root Fe plaque enhances paddy soil N2O emissions via Fe(II) oxidation-coupled denitrification

水稻根表鐵膜通過Fe(II)氧化耦合反硝化增強稻田土壤N2O排放

來源：Soil Biology and Biochemistry, Volume 139, 2019, Article 107610

《土壤生物學與生物化學》，第139卷，2019年，文章編號107610

 

摘要

摘要指出，水稻根表鐵膜（由弱結晶鐵氧化物組成）可能調控稻田土壤N2O排放。本研究測試了鐵膜是否以及如何影響稻田土壤中N2O的產生和還原。結果表明，鐵膜存在時，N2O和N2排放量均加倍，根-土界面處鐵循環細菌和反硝化功能基因豐度升高。在水培條件下，鐵膜在NO3-存在時促進N2O排放，而在NH4+存在時無此效應。螯合Fe(II)消除了鐵膜對N2O排放的促進作用，而向無鐵膜根系添加Fe(II)增加了N2O排放。這些證明鐵膜主要通過Fe(II)氧化耦合反硝化促進土壤N2O排放和氮損失。鐵膜是稻田土壤N2O排放和氮損失的熱點，減排策略應考慮限制鐵膜效應。

 

研究目的

研究目的是探究鐵膜是否以及如何影響稻田土壤N2O的產生和還原過程。具體包括驗證鐵膜作為弱結晶鐵庫對N2O排放的促進作用，區分其通過化學或微生物途徑的貢獻，并闡明Fe(II)氧化耦合反硝化的關鍵機制。

 

研究思路

研究思路通過五個實驗進行：實驗1比較有鐵膜（IP）和無鐵膜（CK）處理下稻田土壤的N2O和N2排放、微生物群落和功能基因；實驗2在水培條件下使用NO3-或NH4+作為氮源，驗證反硝化或硝化的作用；實驗3通過根系滅菌區分化學與微生物反硝化；實驗4和5通過添加Fe(II)或螯合劑（EDTA）驗證Fe(II)的角色。使用自動采樣系統、微傳感器和分子生物學技術收集數據。

 

測量的數據及研究意義

1. 根表鐵含量動態：顯示IP處理鐵膜含量顯著高于CK，確保實驗條件有效性。研究意義在于確認鐵膜差異是后續效應的前提。數據來自Fig. 1a。

 

2. N2O和N2排放速率及N2O/(N2O+N2)比率：IP處理下N2O和N2排放加倍，比率升高。研究意義在于量化鐵膜對氮損失和溫室氣體排放的增強作用，表明其促進反硝化全過程。數據來自Fig. 1b-d。

3. 根際pH和溶解N2O濃度空間分布：IP處理下根際溶解N2O濃度更高，pH無顯著差異。研究意義在于揭示鐵膜創造局域化學熱點，直接關聯N2O產生。數據來自Fig. 2。

 

4. 功能基因豐度（amoA, narG, nirK, nirS, nosZ）：IP處理提高根表narG、nirS和nosZ基因豐度及nirS/nosZ比率，而amoA無變化。研究意義在于從分子層面證實鐵膜偏好影響反硝化基因，增強N2O產生潛力。數據來自Fig. 4。

 

5. 微生物群落結構及鐵循環細菌相對豐度：IP改變根際微生物組成，提高鐵氧化/還原細菌（如Thermomonas, Pseudomonas）豐度。研究意義在于表明鐵膜富集耦合鐵氮循環的微生物，支持耦合機制。數據來自Fig. 5。

 

6. 水培和添加/去除實驗的N2O排放：鐵膜僅在NO3-存在時促進N2O排放；添加Fe(II)模擬鐵膜效應，螯合Fe(II)抑制效應。研究意義在于直接驗證Fe(II)氧化耦合反硝化的主導作用，排除其他因素干擾。數據來自Fig. 3。

 

7. 土壤無機氮和DOC濃度：IP和CK處理間NO3-、NH4+、DOC無顯著差異。研究意義在于排除氮源有效性或根系分泌物對結果的混淆。

 

結論

研究得出結論，鐵膜通過Fe(II)氧化耦合微生物反硝化顯著增強稻田土壤N2O排放和氮損失。鐵膜作為根-土界面的鐵庫，促進鐵循環細菌富集和反硝化基因表達，導致N2O排放加倍。此效應依賴NO3-和Fe(II)，而非硝化或化學反硝化。鐵膜是稻田溫室氣體排放的熱點，減排策略需通過管理（如調節磷肥、pH或氧濃度）限制鐵膜形成和Fe(II)有效性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（包括標準N2O和pH微傳感器）測量了根際土壤的溶解N2O濃度和pH空間分布。研究意義在于提供高分辨率、實時的根-土界面化學梯度數據，直接捕捉鐵膜微環境的動態變化。例如，電極數據顯示鐵膜處理下根際溶解N2O濃度顯著升高（Fig. 2b），這證實了鐵膜作為N2O產生熱點的作用。pH測量（Fig. 2a）幫助排除酸度差異的干擾，確保觀測效應源于鐵膜本身。Unisense電極的高精度和空間分辨能力（如沿水平軸每厘米測量）增強了數據的可靠性，為理解鐵膜如何通過微環境調控N2O產生提供了關鍵證據，支持了Fe(II)氧化耦合機制的驗證。