明确纳米氧化铁肥料对稻田生态系统中不同水稻生长期中作物生长、N₂O气体排放的影响，揭示Feammox作用强度对纳米氧化铁肥料的响应，阐明纳米氧化铁肥料作用下Feammox微生物群落结构及丰度的响应特征，完善纳米氧化铁肥料对稻田生态系统增产减排的潜力认知。

本项目拟依托江苏省农业科学研究院稻田实验基地，采用田间试验和室内培养相结合，运用稳定性同位素标记和多种分子生态学技术，通过监测水稻关键生长期（分蘖期、拔节期、灌浆期）作物生长、温室气体排放、Feammox强度，综合分析新型纳米氧化铁肥料对稻田生态系统增产减排的影响，并探析其影响机理。具体研究内容如下：

研究内容一：纳米氧化铁肥料对水稻生长和N₂O排放影响

分析纳米氧化铁肥料处理下水稻关键生长期（分蘖期、拔节期、灌浆期）的N₂O排放、植株干重、土壤铵态氮、硝态氮、氨挥发过程，利用数理统计方法，测定土壤中活性铁的含量变化和土壤中自由基产生的信号种类和强度，阐明纳米氧化铁肥料施加对水稻生长过程中温室气体排放、养分吸收、植株生长、氮素利用率等田间指标的影响，完善纳米氧化铁肥料对水稻生长、土壤养分利用率和温室气体排放的认知。

研究内容二：纳米氧化铁肥料对稻田土壤Feammox作用强度的影响

采集研究内容一中不同水稻生长期的土壤样品，利用¹⁵N稳定性同位素标记Feammox反应的底物，观测纳米氧化铁肥料处理下不同生长期的水稻土壤Feammox作用强度的响应；耦合土壤pH、有机碳、无机氮（NH₄⁺、NO₂^–和NO₃^–）、N₂O排放通量等因子，探明驱动纳米氧化铁肥料处理下Feammox的主要环境因子，深入揭示纳米氧化铁肥料处理下Feammox作用强度与水稻生长、温室气体排放之间的联系。

研究内容三：纳米氧化铁肥料对稻田土壤Feammox微生物群落结构及数量的影响

采集纳米氧化铁肥料处理下不同水稻生长期的土壤样品，提取土壤基因组DNA，通过指纹图谱、高通量测序、微量热等技术手段观测土壤Feammox微生物群落组成、丰度、多样性及代谢热等指标，利用荧光定量PCR技术研究Feammox微生物群落数量的响应。结合土壤理化性质的变化，通过生物信息学分析，明确纳米氧化铁肥料作用下水稻土壤中Feammox微生物群落的响应和反馈。结合研究内容二的Feammox作用强度指标，进一步阐明纳米氧化铁肥料作用下水稻土壤中Feammox在增产减排中的机理和微生物学机制。

新型纳米氧化铁肥料是一种用纳米材料技术构建的全新肥料，具有无毒、无污染，原材料来源广泛、价格便宜的特点^[1]。纳米氧化铁肥料可以增强肥料有效性，减少肥料的流失和淋失，优化植物体内养分分布，刺激植物生长，促进植物体内多种酶的活性，提高作物产量和品质^[2]。纳米氧化铁可以吸附土壤中的重金属等有害物质，减少它们对作物的危害，从而达到环境污染的降低^[3]。此外，纳米氧化铁肥料能降低肥料的使用量，减少对环境的污染和浪费。因此，深入研究纳米氧化铁肥料在提升土壤质量和养分利用效率的机制，可以为保护土壤生态系统，减少土地资源的浪费和损失，提供科学理论支撑并具有重要的实践指导意义。

全球气候变暖是威胁人类生存的重大环境问题，如何减少温室气体排放的研究已成为当下的关注重点及热点。N₂O是温室气体的重要组成部分，尽管N₂O是大气中一种含量较低的痕量温室气体，但它在大气中滞留时间较长，并具有更大的全球增温潜势，相当于CO₂的298 倍^[4]。N₂O的浓度增加可能会带来更严重的温室效应。

稻田生态系统是一种半自然的人工生态系统，是稻田生物系统、环境系统和人为调节控制系统三部分组成的复合系统，具有高环境效应性^[5]。水稻在特定的生长阶段需要淹水使得水稻土壤成为甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）两种温室气体的重要来源^[6-8]。稻田CH₄排放占全球每年总排放量的17%左右^[10]。同时，稻田生态系统也是N₂O的主要排放源。由于稻田农作物对氮肥的利用率仅有35%左右,大量的氮肥会流失到水体、大气等环境中,造成氮的污染^[11,12]。近几十年来,很多研究者都致力于氮循环路径的研究,以提高氮的利用率以及减少氮的污染。在众多脱氮方式中，微生物脱氮是一种经济高效、环境友好的氮去除方式。其中以硝酸盐为电子受体的反硝化过程已被确认为最主要的微生物脱氮途径^[13,14]。稻田N₂O主要通过土壤和肥料中微生物的硝化和反硝化作用产生，在稻田土壤中，硝化细菌将铵根离子氧化为亚硝酸根离子（NO₂^-），随后再将亚硝酸根离子氧化为硝根离子；反硝化细菌利用硝根离子作为电子受体，将有机物质或亚硝酸根离子还原为氮气（N₂）或氧化态氮（NO、N₂O等）。据相关研究，大气中的N₂O有90%来源于NH₄⁺的硝化与反硝化过程^[15]。

我国是水稻生产大国，水稻种植面积达3000万hm²，占世界稻田面积的27%，占我国粮食作物耕地面积的34%，稻田生态系统减排潜力巨大。据此，研究稻田生态系统温室气体排放的影响因素，探索减排的关键单项技术及综合技术模式集成，并进行示范推广，为发展低碳、可持续发展的农业提供技术基础，为我国稻田节能减排的综合调控和国际谈判提供科学指导和技术支撑是极为必要的^[16]。

铁氨氧化(Feammox)是近年来新发现的一种新型铁介导的自养生物脱氮技术，是在厌氧环境下，微生物利用Fe³⁺作为电子受体，以氨氮作为电子供体来实现NH₄⁺的氧化，同时将Fe³⁺还原为Fe²⁺的过程^[17,18]。Feammox反应同微生物硝化反硝化反应一样都可以脱氮，但不会产生N₂O，是一种大有潜力的低排放脱氮方式，具有很高的研究前景。

纳米氧化铁颗粒对土壤中氮、磷、钾、钙等营养元素和铜、锌、镉等重金属元素有良好的吸附作用^[19-21]。已有研究发现，纳米氧化铁可以进入植株体内，促进植物的生长发育，包括促进种子萌发、根系生长、叶绿素合成及生物量累积等^[22]，因此，纳米氧化铁越来越多地被用于作物肥料、重金属污染修复等领域^[23]。项目成员所在的研究团队的前期微宇宙模拟试验的结果表明，纳米氧化铁在稻田生态系统的温室排放方面是一种环境友好型材料。此外，许多研究表明纳米氧化铁肥料的吸附作用可以减少氨挥发过程，纳米氧化铁颗粒的表面具有大量的羟基和氧化物基团，可以与氨分子形成氢键和静电吸引力，从而将氨分子吸附在表面上。吸附作用可以将氨分子固定在表面上，减少其挥发和流失。纳米氧化铁肥料释放的Fe³⁺还可以促进Feammox过程，有望成为水稻种植中N₂O减排的新型肥料。

已有相关研究通过设置灭菌/非灭菌处理，表明微生物是铁氨氧化过程发生的关键驱动力^[24]，即铁氨氧化细菌，这些细菌在土壤中广泛分布，它将铵根离子（NH₄⁺）氧化为亚硝酸根离子（NO₂^-），是硝化作用的第一步，与反硝化过程不同，铁氨氧化过程不会产生氧化亚氮(N₂O)。但是，目前对于纳米氧化铁肥料刺激的Feammox过程在水稻增产减排中作用还有待进一步研究。

本项目在前期研究的基础上，拟利用稳定氮同位素示踪技术、高通量基因测序和微量热等技术，研究新型纳米氧化铁肥料在水稻生长和N₂O排放方面的影响及其微生物学机制。该研究旨在为推广新型纳米氧化铁肥料在稻田生态系统中的应用提供理论支撑和实践指导，以提高氮素利用效率、增加水稻产量、减少温室气体排放，发展绿色可持续的农业生态系统，同时减少土地资源的浪费和损失。

参考文献

[1] 方敏,段学臣,周常军. 纳米氧化铁的制备与应用[J]. 湿法冶金,2005,24(3):117-120.

[2] He XJ, Deng H, Hwang HM. The current application of nanotechnology in food and agriculture [J]. J Food Drug Anal,  2019, 27 (1): 1-21

[3] Lin JJ, Su BL, Sun MQ, Chen B, Chen ZL. Biosynthesized iron oxide nanoparticles used for optimized removal of cadmium with response surface methodology [J]. Sci Total Environ,2018, 627: 314-321

[4] IPCC.Climate Change 2007:physicthe FSience Basis.Contribution of working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernment panel on Climate Change[M].Cambridgr,Unitedkingdom:Cambridg University Press,2007.

[5] 陈丹,陈菁,罗朝晖.稻田生态系统服务及其经济价值评估方法探讨[J].环境科学与技术,2005(06):61-63+112-113.

[6] Cai ZC, Xing GX, Yan XY, Xu H, Tsuruta H, Yagi K, Minami K.  Methane and nitrous oxide emissions from rice paddy fields as affected by nitrogen fertilisers and water management [J]. Plant Soil, 1997, 196 (1): 7-14

[7] Towprayoon S, Smakgahn K, Poonkaew S. Mitigation of methane and nitrous oxide emissions from drained irrigated rice fields [J]. Chemosphere, 2005, 59 (11): 1547-1556

[8] 蔡祖聪. 中国稻田甲烷排放研究进展[J]. 土壤, 1999 (5): 43-46 [Cai Z C. Research progress on methane emission from rice field in China [J]. Soils, 1999 (5): 43-46]

[9] 李香兰, 徐华, 蔡祖聪. 水分管理影响稻田氧化亚氮排放研究进展[J]. 土壤, 2009 (1): 3-9[Li XL, Xu H, Cai ZC. Effect of water management on nitrous oxide emission from rice paddy field: a review [J]. Soils, 2009 (1): 3-9]

[10] Wubbles D J, Hayhoe K.Atmospheric methane and global change[J].Earth-science Reviews,2022,57:177-210.

[11] Li H, Su J Q, Yang X R, et al. RNA stable isotope probing of potential feammox population in paddy soil [J]. Environmental Science & Technology, 2019,53(9):4841-4849.

[12] Zhao L Z. Research on soil nitrogen in China [J]. Acta Pedologica Sinica, 2008,45(6):778-783.

[13] Li H, Yang X, Weng B, et al. The phenological stage of rice growth determines anaerobic ammonium oxidation activity in rhizosphere soil [J].Soil Biology & Biochemistry, 2016,100:59-65.  

[14] Xing G X, Cao Y C, Shi S L, et al. Denitrification in underground saturated soil in a rice paddy region [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2002,34(11):1593-1598.

[15] 廖松婷,王忠波,张忠学,等.稻田温室气体排放研究综述[J].农机化研究,2014(10):6-11

[16] 董文军,来永才,孟英,唐傲,张喜娟,冷春旭.稻田生态系统温室气体排放影响因素的研究进展[J].黑龙江农业科学,2015(05):145-148.

[17] DING B J, CHEN Z H, LI Z K, et al. Nitrogen loss through anaerobic ammonium oxidation coupled to iron reduction from ecosystem habitats in the Taihu Estuary region[J]. Science of the Total Environment, 2019, 662: 600-606.

[18] LI X F, HOU L J, LIU M, et al. Evidence of nitrogen loss from anaerobic ammonium oxidation coupled with ferric iron reduction in an intertidal wetland[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49(19): 11560-1156

[19] Nassar NN. Rapid removal and recovery of Pb (II) from wastewater by magnetic nanoadsorbents [J]. J Hazard Mater, 2010, 184 (1-3): 538-5466

[20] Soliman AS, El-feky SA, Darwish E. Alleviation of salt stress on Moringa peregrina using foliar application of nanofertilizers [J], J Hortic For, 2015, 7 (2): 36-477

[21] Mazaherinia S, Astaraei AR, Fotovat A, Monshi A. Nano iron oxide particles efficiency on Fe, Mn, Zn and Cu concentrations in wheat plant [J]. World Appl Sci J, 2010, 7: 36-40

[22] 杨雪玲. 纳米氧化铁--黄腐酸对大豆养分吸收及生长的影响[D]. 北京:中国农业科学院,2019.

[23] Lowry GV, Avellan A, Gilbertson LM. Opportunities and challenges for nanotechnology in the agri-tech revolution [J]. Nat Nanotechnol, 2019, 14 (6): 517

[24] D. Emerson Microbial Oxidation of Fe(II) and Mn(II) at Circumneutral pH [J] Biology,2000,10.1128

纳米氧化铁肥料的高效养分释放和吸附能力，可用于提高土壤肥力和作物增产。纳米氧化铁释放的Fe³⁺可以刺激铁氨氧化过程（Feammox），减少稻田N₂O排放，但是纳米氧化铁肥料对水稻生长、温室气体排放、Feammox作用强度及其微生物组的研究还不完善。本研究在前期研究结果的基础上，结合室内培养和田间试验，研究纳米氧化铁肥料对不同水稻生长期中植株、养分利用率、Feammox作用强度及其微生物组的影响，本研究助于全面了解纳米氧化铁肥料在稻田增产减排方面的潜力。

1具体技术路线如下图

2拟解决的问题

本项目在前期研究的基础上，拟利用稳定氮同位素示踪技术、高通量基因测序和微量热等技术，研究新型纳米氧化铁肥料在水稻生长和N₂O排放方面的影响及其微生物学机制。该研究旨在为推广新型纳米氧化铁肥料在稻田生态系统中的应用提供理论支撑和实践指导，以提高氮素利用效率、增加水稻产量、减少温室气体排放，发展绿色可持续的农业生态系统，同时减少土地资源的浪费和损失。

3预期成果

阐明纳米氧化铁肥料对不同生长时期水稻植株、养分利用率、N₂O排放、Feammox作用强度及相关微生物学机制的影响，并在核心及以上期刊发表论文1-2篇。

研究进度安排

第一阶段：准备阶段（2023年5月——2023年7月）

（1）确定研究课题，制定实验方案。

（2）制定详细的采样计划，完成前期调研资料整理汇总。

第二阶段：实施阶段（2023年7月——2023年10月）

（1）监测典型水稻生长期（分蘖期、拔节期、灌浆期等）的N₂O排放、植株干重、氨挥发。

（2）进行一系列的土壤有机碳、无机氮等理化因子分析。

（3）进行稳定性同位素示踪实验，测定Feammox作用强度。

第三阶段：结果分析与论文撰写阶段（2023年10月——2024年1月）

（1）整理实验结果，分析数据。

（2）撰写、投稿相关学术论文。

第四阶段：结题阶段（2024年1月——2024年4月）

（1）进一步分析实验结果，撰写投稿学术论文。

（2）形成结题报告，按时结题。