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硝化作用是土壤中普遍存在的重要微生物过程,它联系着矿化.生物固持等作用及氮素损失,是土壤氮素转化中的一个重要环节,是全球氮素循环的中心。我国亚热带地区酸性红壤约占全国土地面积的21%,具有低pH、低硝化活性的特点,具有明显的地域特征,研究红壤硝化作用对理解亚热带生态系统氮循环具有重要意义。
本文以我国福建花岗岩母质和江西红砂岩母质发育的典型红壤作为研究对象,选取了福建建瓯万木林自然保护区封禁保护下杉木(CUL),观光木(TSO),细柄阿丁枫(ALG),椤浮栲(CAF),浙江桂(CIC)5种自然植被和人工种植植被桔园(ORG)土壤,以及江西鹰潭市周边地区针叶林(PF)、阔叶林(CF),灌木林(BF)以及由灌木林开垦30年的农田土壤(BFA)。采用荧光实时定量PCR(Real-time PCR)技术测定了土壤氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的群落丰度;采用PCR-DGGE技术结合克隆测序,分析了酸性森林红壤氨氧化古菌的群落组成;采用15N稳定同位素成对标记和数值模型相结合的方法测定了土壤初级硝化速率;采用15N库富集技术精确测定了酸性红壤中的硝化作用潜在活性。
结果显示,万木林长期封禁保护下的自然植被土壤pH低,土壤AOB数量偏低。人为种植和管理显著提高了土壤pH,促进了AOB的生长,其丰度比自然条件下提高了2个数量级,土壤初级硝化速率也显著提高,并与AOB种群数量存在显著的相关性,表明AOB可能是万木林酸性森林红壤自养硝化作用的主要贡献者。然而在江西四种植被下没有检测到AOB,可能因为该地区氨浓度17.8-34.3 nM)远远低于AOB生长所需的氨的临界值。因为氨分子而非铵盐被认为是氨氧化作用的真正底物,在氨限制的环境中,对氨具有不寻常的高亲和性的氨氧化古菌(AOA)比氨氧化细菌(AOB)表现出了更好的选择优势。福建万木林五种自然植被条件下AOA的amoA基因拷贝数占泉古菌16S rRNA基因的比例都小于1%(0.01%-0.64%),在农业利用方式下上升到5.32%,江西地区灌木林BF土壤中为0.21%,而花生农田BFA土壤为2.03%,约增加了10倍之多。表明氮肥施用可能促进了氨氧化古菌的生长,同时并非所有泉古菌都具备氨氧化功能基因amoA。15N富集技术清晰地证明了酸性红壤中的自养硝化作用活性,和泉古菌amoA基因数量和组成的变化都具有很好的耦合性,尤其是在酸性BF以及BFA土壤中。系统发育分析证明,活性AOA和土壤泉古菌1.1b中的温泉amoA基因亲缘关系最近,AOA在鹰潭酸性红壤氨氧化过程中起着重要的作用。