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氧化亚氮是重要的温室气体，单位分子增温潜势是二氧化碳的298倍，其对温室效应的贡献值大约为6％。我们迫切需要有效的方法预测生态系统土壤N2O释放对大气氮沉降增加的响应，还需从机制上了解其对全球变化尤其是氮沉降增加的响应。本研究借助稳定氮同位素标记技术，主要探讨以下三个科学问题:(1)氮沉降(NH4+-N和NO3--N)增加对土壤N2O释放及其来源的影响以及不同形态沉降氮间的差异;(2)冻融期N2O释放的机制;(2)冻融期N2O的产生与微生物对冻融循环的影响。
针对以上三个问题，本论文研究内容的三个部分为:(1)采用氮稳定同位素标记技术探讨大气氮沉降对土壤N2O释放及其来源的影响以及不同活性氮沉降形态间的差异;(2)利用荧光底物标记技术研究冻融期土壤N2O释放机制以及冻结期与融解期N2O的产生;(3)通过氮稳定同位素示踪技术分析冻融期土壤在冻结期与融解期N2O产生的来源以及不同微生物群落结构对冻融循环的响应。
本研究主要取得以下结果:
(1)自然氮沉降条件下，长白山温带森林土壤N2O释放的主要来源是NO3--N通过反硝化过程产生，其比例约占总体N2O产生的52％。自养硝化过程氧化NH4+-N生成N2O约占总体N2O产生的26％，而以有机氮为底物的异养硝化占比为22％。50kg N ha-1yr-1的氮沉降增加不仅显著增加土壤N2O释放，且改变其来源构成。不论氦沉降添加与否，NO3--N都是本研究中N2O释放的主要来源，表明反硝化在本研究地区中的重要作用。此外，氮添加显著改变了NH4+-N对于N2O的贡献，表现为先促进后抑制;而同时对异养硝化贡献的改变表现为先抑制后促进。不同的N沉降形态对于N2O的释放具有不同的影响。在氮沉降增加条件下，NH4+-N产生的N2O释放高于NO3--N产生的N2O，且其在土壤中驻留时间更长。表明，氮沉降添加不仅增加了N2O的释放，并且改变了氮转化过程。
(2)以中国北方温带森林为研究对象，通过对N2O释放速率的全年观测以及冻融期酶活性的测定来研究N2O释放的动态。结果表明冻融期N2O释放量占全年释放量的57.94％，而生长季释放仅占全年释放量的不足30％，说明冻融期是北方温带森林土壤N2O释放到重要时期。且本研究发现冻融期N2O释放高峰出现在融解期初期，而不是土壤温度最高的时间，表明冻结期是N2O产生的重要时期，物理隔绝作用是导致融解期N2O释放高的原因。此外，生物过程是冻融期N2O释放速率显著高于生长季的主要原因，并且我们发现整个冻融期酶活性的变化较小，表明生物活性在整个冻融期的稳定维持。
(3)利用氮稳定同位素标记技术结合磷脂脂肪酸法，发现冻融期N2O来源以及微生物群落结构与生长季存在明显差异。结果表明冻融期NO3--N是本研究中N2O释放的主要来源，其比例达到87％以上，表明反硝化在本研究地区中的重要作用。此外，土壤NO3--N含量在冻融期随时间增加，NO3--N在冻融期的累积证明硝化作用的发生，而NH4+-N对土壤N2O释放的低贡献率并不能说明硝化作用速率低。此外，冻融作用显著影响微生物群落结构，主要冻融期总PLFA，革兰氏阳性菌，革兰氏阴性菌，丛枝真菌，真菌分别比生长季降低64.04％，47.53％，72.64％，81.73％和77.28％，表明冻融作用能显著降低土壤微生物量。
针对以上三个问题，本论文研究内容的三个部分为:(1)采用氮稳定同位素标记技术探讨大气氮沉降对土壤N2O释放及其来源的影响以及不同活性氮沉降形态间的差异;(2)利用荧光底物标记技术研究冻融期土壤N2O释放机制以及冻结期与融解期N2O的产生;(3)通过氮稳定同位素示踪技术分析冻融期土壤在冻结期与融解期N2O产生的来源以及不同微生物群落结构对冻融循环的响应。
本研究主要取得以下结果:
(1)自然氮沉降条件下，长白山温带森林土壤N2O释放的主要来源是NO3--N通过反硝化过程产生，其比例约占总体N2O产生的52％。自养硝化过程氧化NH4+-N生成N2O约占总体N2O产生的26％，而以有机氮为底物的异养硝化占比为22％。50kg N ha-1yr-1的氮沉降增加不仅显著增加土壤N2O释放，且改变其来源构成。不论氦沉降添加与否，NO3--N都是本研究中N2O释放的主要来源，表明反硝化在本研究地区中的重要作用。此外，氮添加显著改变了NH4+-N对于N2O的贡献，表现为先促进后抑制;而同时对异养硝化贡献的改变表现为先抑制后促进。不同的N沉降形态对于N2O的释放具有不同的影响。在氮沉降增加条件下，NH4+-N产生的N2O释放高于NO3--N产生的N2O，且其在土壤中驻留时间更长。表明，氮沉降添加不仅增加了N2O的释放，并且改变了氮转化过程。
(2)以中国北方温带森林为研究对象，通过对N2O释放速率的全年观测以及冻融期酶活性的测定来研究N2O释放的动态。结果表明冻融期N2O释放量占全年释放量的57.94％，而生长季释放仅占全年释放量的不足30％，说明冻融期是北方温带森林土壤N2O释放到重要时期。且本研究发现冻融期N2O释放高峰出现在融解期初期，而不是土壤温度最高的时间，表明冻结期是N2O产生的重要时期，物理隔绝作用是导致融解期N2O释放高的原因。此外，生物过程是冻融期N2O释放速率显著高于生长季的主要原因，并且我们发现整个冻融期酶活性的变化较小，表明生物活性在整个冻融期的稳定维持。
(3)利用氮稳定同位素标记技术结合磷脂脂肪酸法，发现冻融期N2O来源以及微生物群落结构与生长季存在明显差异。结果表明冻融期NO3--N是本研究中N2O释放的主要来源，其比例达到87％以上，表明反硝化在本研究地区中的重要作用。此外，土壤NO3--N含量在冻融期随时间增加，NO3--N在冻融期的累积证明硝化作用的发生，而NH4+-N对土壤N2O释放的低贡献率并不能说明硝化作用速率低。此外，冻融作用显著影响微生物群落结构，主要冻融期总PLFA，革兰氏阳性菌，革兰氏阴性菌，丛枝真菌，真菌分别比生长季降低64.04％，47.53％，72.64％，81.73％和77.28％，表明冻融作用能显著降低土壤微生物量。