高寒草甸氧化亚氮排放对全球变暖、氮沉降及降水变化的综合响应及机理

Nitrous oxide (N2O) is one of the most important greenhouse gases in the atmosphere. Global change components can alter soil nitrogen dynamics and affect soil N2O emissions, which may further contribute to global warming. Yet, the interactive effects of multiple global change components on the N2O flux and the underlying mechanisms are still poorly understood. Qinghai-Tibet Plateau is the ecological security barrier of China, and the alpine meadow on it is an important source of N2O emissions. This proposed project will investigate the interactive effects of climatic warming, N inputs, precipitation change on N cycling and N2O emissions, taking advantage of an existing field grassland experiment on the Qinghai-Tibetan Plateau. Using both stable isotope and molecular techniques, we will investigate (1) effects of climate change factors (warming, precipitation reduction or increase), N addition, and their interactions on soil N dynamics and N2O emission; (2) responses of the microbial community structure and microbial activities, particularly N-transforming microbes. Results obtained will contribute to our understanding of the role of the alpine ecosystem in global N2O budgets. Also, they will help us identify the primary drivers that control N availability for N2O emissions and the underlying microbial mechanisms, thereby improving our capacity to predict the impact of these global change factors on terrestrial N cycling and potential feedbacks.

氧化亚氮（N2O）是大气中最重要的温室气体之一。全球变化（如气候变暖、氮沉降和降水变化）可能改变土壤氮动态，影响N2O排放，但其综合效应及交互机理尚不清楚。青藏高原不仅是我国的生态屏障，其高寒草甸也是N2O的主要排放源之一，且气温和氮沉降及降水等变化尤其显著。为此，本项目拟采用野外开放试验，通过原位监测和室内培养试验，并结合分子生物学和稳定同位素技术，研究（1）增温、氮添加和降雨变化（增雨和降雨）对青藏高原东部高寒草甸土壤氮素动态和N2O排放的综合影响及其交互机理；（2）土壤氮素转化关键微生物活性及群落结构的综合响应特征及机制。研究结果将为青藏高原高寒草地生态建设和系统N2O源汇变化提供科学参数，有助于我们进一步了解全球变化下N2O的排放机理，为评估草地生态系统对全球变化的响应和反馈提供科学依据。

氧化亚氮（N2O）是一种强温室气体，其全球增温潜势约为二氧化碳（CO2）的300倍。全球变化下土壤温度、氮素含量和水分的增加会加剧N2O的排放，进而加速全球变暖的进程。土壤N2O的排放主要来源于微生物控制的硝化和反硝化过程。其中，硝化过程中氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）是控制N2O排放的关键微生物，而反硝化过程中一系列较为复杂的反硝化微生物共同主导着N2O的产生和消耗。由于硝化与反硝化微生物对温度和底物基质的敏感程度不同，土壤温度和氮含量的变化将会影响二者的组成及其对N2O排放的相对贡献。目前关于气候变化对N2O排放温度敏感性的研究多集中于低海拔地区的农田生态系统中，对于高海拔地区硝化与反硝化微生物的响应及N2O排放驱动因子的相关研究仍较薄弱。.高寒草甸是青藏高原高寒草地生态系统的主要类型，生态系统脆弱，是对全球变化最为敏感的地区之一。高寒草甸土壤有机碳含量高，微生物长期适应高寒、土壤潮湿等环境，温度、水分和氮素的稍微变化，可能会急剧加强微生物代谢活动，影响土壤氮转化关键微生物的群落结构和丰度，并进而驱动N2O的产生与排放。本项目利用青藏高原高寒草甸全球变化长期处理的土壤，通过原位和多个室内培养研究了全球变化对产N2O关键微生物和N2O排放温度敏感性的影响。研究发现，单独增温或加氮对N2O排放速率和温度敏感性没有显著影响，但是二者共同作用显著提高了N2O排放速率和温度敏感性；并且土壤N2O的排放主要来源于硝化过程，增温和氮素添加显著增加了土壤中AOB丰度和硝化速率，从而提高了土壤N2O的排放。我们进一步用结构方程模型对不同环境因子和微生物的作用进行了路径分析，发现土壤水分、pH、氮矿化速率和AOB丰度是影响N2O排放温度敏感性的主要调控因子。结果表明，在该高寒草甸生态系统中，气候变化因子主要通过影响土壤硝化微生物从而驱动N2O的产生。该研究结果为预测高寒草甸地区未来气候变化可能带来的温室效应和合理保护高寒草地生态系统提供了重要科学依据。