亚热带湿地松林土壤氧化亚氮排放和功能微生物群落对NO3-和NH4+富集的差异性响应

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氧化亚氮(N2O)是大气中长寿命的痕量温室气体,对全球变暖的贡献约占6%;同时它也是平流层臭氧的主要破坏源。大气氮沉降显著改变土壤氮素有效性、pH值以及介导土壤氮转化过程的功能微生物群落的丰度和组成,进而对森林土壤N2O的排放产生较大影响。现有的研究主要集中在自然林,并且施氮形态单一,施氮时间较短。此外,关于土壤N2O产生的微生物学机理缺乏系统性研究,未能将微生物功能群落动态与土壤N2O通量真正地联系起来。  针对上述研究不足,本文以千烟洲亚热带湿地松林为研究对象,野外构建两形态、三水平的氮沉降模拟控制试验平台。利用静态箱-气相色谱法高频测定土壤-大气界面N2O通量,同时监测土壤温度、水分、pH值、溶解性碳氮等关键环境驱动变量,阐明亚热带湿地松林土壤-大气界面N2O通量对增氮的响应特征、年际变化及其主控环境因子;同时,采用基于功能基因的实时荧光定量PCR(qPCR)和克隆文库技术测定土壤氨氧化和反硝化微生物群落丰度和组成,阐明外源性氮素输入对介导土壤氮转化的功能微生物群落的影响,揭示土壤功能微生物群落与N2O排放的耦合机制。  初步研究结果表明:(1)施氮显著增加土壤可溶性氮含量,促进土壤酸化以及土壤N2O的排放;而且铵态氮肥的促进作用更大。施氮三年对土壤N2O通量的促进作用呈现先增加后下降的趋势,施氮第二年响应发生转折。氮素富集条件下,土壤N2O的排放主要受土壤NO3-含量变化的影响,暗示硝化过程支配着土壤N2O的排放。(2)施氮显著增加土壤氨氧化古菌(AOA)丰度,但是倾向于抑制土壤氨氧化细菌(AOB)和反硝化基因丰度,且施加铵态氮肥效应更加明显。其中AOA主要受土壤酸化的驱动;AOB基因丰度与土壤可溶性有机氮(DON)含量成正比,在一定程度上暗示着AOB与异养硝化关系密切。除narG(硝酸还原酶)基因外,反硝化基因丰度随土壤体积含水量的增加保持不变,而含水量减少基因丰度则骤降。土壤AOA群落结构较单一,多样性低;其次是nirK(亚硝酸还原酶)基因;nosZ(氧化亚氮还原酶)基因多样性较高。施氮会降低土壤AOA、nirK以及nosZ多样性。(3)土壤N2O通量与AOA基因丰度之间呈指数增长的关系,而氮素富集条件下土壤N2O通量的变化率与反硝化功能基因变化率关系密切,表明亚热带湿地松林土壤N2O排放量主要受硝化过程驱动,但是反硝化微生物活性变化也潜在地影响土壤N2O的排放。  上述研究结果初步阐明了亚热带湿地松林土壤N2O排放和功能微生物群落对NO3-和NH4+富集的差异性响应,加深了对亚热带湿地松林土壤氮循环及其调控机理的认识,为提高森林氮素利用效率并减少其负面效应提供了科学依据。
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