五年臭氧熏蒸下臭氧浓度升高可提高小麦根际的硝化和反硝化酶活性外文翻译资料

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五年臭氧熏蒸下臭氧浓度升高可提高小麦根际的硝化和反硝化酶活性

魏晨amp;李丽·李新宇amp;荣忠业

齐力，朱建国，NaNaFang＆LingLiWang＆

ZhiJieWu和WilliamR.Horwath

收稿日期：2014年9月27日/已接受：2015年3月23日/在线发布：2015年4月8日

#Springer国际出版瑞士201

摘要

背景和目的：由于植物材料对土壤的输入变化，在农业生态系统中氮（N）循环可能在升高的O₃（eO₃）下发生变化。本研究的目的是了解eO₃如何改变土壤中的关键氮循环过程。方法：采用O₃60ppb（eO₃）和环境40ppb（aO₃）在自由空气臭氧中熏蒸5年后，从敏感和耐受的小麦品种中采集根际土壤。浓缩平台。对土壤硝化和反硝化酶活性（NEA和DEA），氨单加氧酶（amoA）和反硝化细菌基因（nirS和nirK）的丰度以及其他相关特性进行了量化。结果：土壤NEA，DEA，NH₄ 和NO₃^-在eO₃下高于aO₃，而微生物生物量N（MBN）在eO₃下降低，特别是在O₃下-敏感品种。对amoA和nirS和nirK的丰度没有观察到明显的eO₃效应。由于O₃敏感品种的eO₃，籽粒产量和地上部根系比率下降。结论：eO₃刺激土壤氮素有效性，但5年后抑制谷物产量，特别是对O₃敏感品种。适应性策略应更多地关注品种选择，以保留土壤中的氮，并确保未来作物生产的恢复力。

关键词

自由空气臭氧富集（FAOE）;硝化酶;反硝化酶;硝化基因;反硝化基因

缩略语

NEA 土壤硝化酶活性

数据包络分析 土壤反硝化酶活性

一、介绍

由于工业的快速发展，北半球的对流层臭氧浓度[O₃]从大约10ppb增加到25-40ppb（Vingarzan）2004;Biswas等。2008）预计到2100年将再增加40-70％（Zengetal。2008）。对流层O₃被认为是一种具有破坏性且广泛存在的反应性污染物，降低农业和森林生态系统（Schraderetal。2009;Nikolova等。2010）并对作物产量构成巨大威胁（Fengetal。2008;冯和小林2009），森林生产力（Karnosky等。2007;Wittig等人。2007）和生态系统碳储存（Sitch等。2007）。升高的大气O₃浓度（eO₃）会破坏植物的光合能力（Reich1987）通过降低气孔导度和CO₂同化（Greitner和Winner1988;安德森等人。2003;Loya等。2003）。例如，小麦（TritieumaestivumL.）对臭氧敏感，表现出严重的可见叶面损伤，加速衰老，生长减少和产量损失（Biswas等。2008;冯等人。2008）。虽然eO₃已被证明会破坏农业生态系统中的地上植被（Feng和Kobayashi2009），它对地下过程的影响，特别是对微生物过程的间接影响，知之甚少（Chenetal。2009;施拉德等人。2009;张等人。2014;Formanek等人。2014;鲍等人。2015).升高的O₃对土壤N循环的影响受到了极少的关注（Holmes等。2003;佩雷拉等人。2011），妨碍了对驱动土壤-植物相互作用和氮可用性的因素的理解。更好地理解eO₃对硝化和反硝化的影响是相当重要的，因为这些土壤氮过程在调节土壤氮矿化和氧化亚氮（N₂O）排放中起着关键作用。，后者是一种强效温室气体，也可以破坏平流层臭氧（史密斯1997）。由于O₃不易扩散到土壤中，因此eO₃对土壤生态系统过程的直接影响不太可能（Blum和Tingey）1977）。然而，通过改变植物材料投入和资源分配的质量，持续的eO₃暴露可能会对地下过程产生间接影响（Kasurinen等。2005）。鉴于微生物介导的营养转化依赖于有机碳的能量，因此eO₃可能通过其对植物C投入的数量和质量的直接影响影响许多影响养分可用性的土壤过程（Anderson等。2003）。例如，在eO₃下，小麦被证明可以改变碳水化合物和氮的源汇关系，表明氮的吸收和利用的变化（Gelangetal。2001）。因此，土壤硝化和反硝化过程可能会在eO₃下发生变化，因为它们依赖于土壤C和N底物的形态和可用性。此外，大量研究表明地上植被对土壤的影响小麦品种间的过程各不相同（Morgan等。2006;Biswas等。2008;冯等人。2008;曹等人。2009;朱等人。2011）。因此，敏感和耐受小麦品种下的根际硝化和反硝化过程预计会对eO₃产生广泛的反应。

在本研究中，我们研究了在eO₃影响下小麦根际土壤中的N转化。根际土壤来自O₃敏感（Yannong19）和耐受（Yangmai16）cul-tivars的5年长自由空O₃富集（FAOE）实验。目的是研究eO₃对土壤N动态的影响，以硝化（NEA）和反硝化酶活性（DEA）为代表，以及氨单加氧酶（amoA）和反硝化细菌基因（nirS和nirK），土壤的丰度[NH₄ ]和[NO₃^-]有效性，微生物生物量N和作物N吸收。我们假设：1）eO₃将降低作物产量，2）抑制土壤硝化和反硝化作用，因为植物材料投入和作物氮需求的质量和数量较低，取决于小麦品种，观察到更大的影响。更敏感的品种。

二、材料和方法

（1）现场描述和样品制备：

实验地点位于中国江苏省江都市郊区（3235N，11942E）。土壤是ShajiangAquicCambosol（中国土壤分类学）（Lietal。2009）具有砂壤土质地，总碳15gkg^minus;1，总氮1.5gkg^minus;1，pH6.8和25.1％粘土（lt;0.001mm），堆积密度1.2gcm^minus;3在0-15厘米的深度（朱等人。2011）。该气候的特征是海洋季风，年平均气温和降水量分别为14.9C和980mm（Lietal。2009）。2007年建立了一个自由空气臭氧浓缩实验系统（粮农组织），该系统采用稻麦轮作系统，6月中旬移植水稻，10月中下旬播种，随后播种冬小麦。11月初，并于明年5月下旬或6月初收获。收获后的稻米/小麦秸秆被掺入土壤中。将3个重复的FAOE环（每个直径14.5米）随机地放置在4公顷的均匀区域内。从上午9:00到下午18:00，在环境条件（40ppb）下连续提供60ppb的O₃水平（此设置在下文中称为eO₃），同时随机设置三个重复环环境O₃的相同面积（以下简称aO₃）（Zhuetal。2011）。每个环与其他环分开约70米，以防止O₃影响相邻的环。使用O₃分析仪每20s测量每个图中心的[O₃]（型号49C，ThermoEnvironmentalInstruments，Franklin，MA，USA）。在风速和风向的基础上，O₃被释放，在90％的时间内，在设定点的plusmn;15％范围内O₃浓度达到60ppb，并且在20％以内。设定点为95％的时间。将eO₃和aO₃下的每个地块分成两个子图（每个子图是一个面积为82米²的半圆），种植两个冬小麦：Yannong19（Y19），O₃-敏感品种;和扬麦16（Y16），一个O₃-耐受品种。氮气以尿素和磷酸二铵的总量为210kgNha^minus;1施用，在种植时分为基础施用（60％），分蘖初期分娩（10％）和再次施用于伸长阶段（30％）。P和K分别以90kgP₂O₅ha^minus;1和90kgK₂Oha^minus;1的比率分别作为磷酸二铵和氯化钾使用。-分别在种植时施用60％，在伸长期施用40％（Zhu等。2011）。这个实验是在2012年的生长季节，在季节性接触eO₃5年后（从3月5日到5月27日，每年约83天）进行的。在成熟阶段（2012年6月7日）从0至15厘米深度收集土壤样品，从每个地块收集30个土壤样品并进行组合以减少处理内的土壤异质性。在植物行内采集土壤样品以确保根际取样。将土壤样品储存在-20℃或4℃直至进一步分析。

（2）植物和土壤特性分析：

通过在105℃下干燥24小时来测定土壤水分。土壤pH在1：2.5（土壤：水）溶液（w/v）中测定。用2MKCl萃取NH₄ 和NO₃^-，并在自动分析仪（SealAnalytical，Shanghai）上测量。从成熟的半圆形小区中随机收获小麦植物（15）阶段，并分为茎，根，穗和谷物。将植物样品在65℃下干燥至恒重，然后称重1000粒重（粒重）和总植物重量。在TruSpecCN元素分析仪（LecoCorporation，USA）上测定总植物或土壤氮。通过熏蒸-提取法测定土壤微生物生物量C（Cmic）和N（Nmic）（Brooks等。1995;万斯等人。1987）。通过多N/C3000分析仪（AnalytikJenaAG，Jena，Germany）测定从氯仿熏蒸和未熏蒸样品中提取的C.校正K_电子商务和K_恩值分别为0.45和0.54用于计算微生物C（MBC）和微生物N（MBN）（Joergensen）1996;约根森和穆勒1996).

（3）硝化和反硝化潜力分析：

通过土壤-浆液法测定硝化酶活性（NEA）（Belser1979）。该方法包括在稀释的磷酸铵（1.5mmolNH₄ 和1mmolPO₄^-）溶液（约1：7土壤/溶液比）中摇动筛分的（2mm）土壤样品并测量NO₃^-在短期内（通常24小时）积累。

反硝化酶活性（DEA）在厌氧浆液中进行，该浆液含有NO₃^-（1mmolKNO₃），可用的C源（1mmol葡萄糖）和乙炔（气相中最终浓度为10％）阻断N₂O还原为N₂。产生的N₂O的量用于估算反硝化作用。该测定类似于Smith和Tiedje最初描述的I期速率方法（1979）并稍加修改（Tiedje等人。1989）。由

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