沉降氮素在温带森林土壤中的微生物同化过程及其影响机制

The increase of atmospheric nitrogen deposition and its negative effects are one of the most important challenges for us. Microbial immobilization of nitrogen (inorganic nitrogen) in temperate forest soil could improve its retention in the soil and reduces its negative effects. However, microbial nitrogen immobilization process and its influence mechanism are still not fully understood. In this study, an incubation experiment with typical temperate forest soil will be carried out and stable isotope (paired labelled technique) chromatography/mass technique will be applied to trace the assimilation of extraneous 15NH4NO3 and NH415NO3 into amino sugars and amino acids. Our objective is to investigate the microbial transformation process of NH4+ and NO3-, and the effect of different nitrogen concentration and carbon substrates (litter) on this microbial transformation process. Finally, the differences of the microbial transformation processes of NH4+ and NO3-, the response mechanism of microbial immobilization nitrogen to the increase of nitrogen deposition and the carbon and nitrogen coupling effect will be elucidated. This study is of great significance for the management of soil nitrogen in temperate forests, correctly assessing the potential of forest soil to nitrogen retention and alleviating the negative effects of nitrogen deposition.

大气氮沉降增加及其带来的负面影响是我们面临的重要挑战之一。沉降氮素在氮限制的温带森林土壤中的微生物固持有助于其在土壤中的持留，减少其负面影响。而对微生物同化过程及影响机制的认识是应对全球变化的前提。本研究以温带森林土壤为研究对象，采用实验室培养，结合稳定同位素示踪（同位素配对标记）和色谱/质谱联机技术，跟踪外加不同形态沉降氮素在土壤微生物细胞组分（氨基糖和氨基酸）中的转化和富集动态，根据其动态指示作用，探讨不同形态氮素（铵态氮和硝态氮）的微生物同化策略，考查不同浓度沉降氮素微生物同化的分异过程，分析碳底物（凋落物）和氮素同化强度的非线性耦合过程，阐明土壤中不同形态氮素的微生物同化过程的差异、微生物同化过程对氮沉降增加的响应机制以及碳氮耦合作用机制。本研究对于正确评估温带森林土壤固持外源氮素的潜力，优化森林土壤氮素管理，缓解氮沉降所带来的负面影响具有重要意义。

大气氮沉降增加及其带来的负面影响是我们面临的重要挑战之一。沉降氮素在氮限制的温带森林土壤中的微生物固持有助于其在土壤中的持留，减少其负面影响。而对微生物同化过程及影响机制的认识是应对全球变化的前提。本研究以温带森林土壤为研究对象，采用室内模拟培养、稳定同位素示踪（同位素配对标记）和色谱/质谱联机相结合的技术，以微生物细胞组分（氨基酸和氨基糖）为标识物，探讨了沉降氮素在土壤中的微生物同化过程及其影响机制。研究结果表明，沉降氮素向土壤微生物残留物（氨基酸和氨基糖）的转化受到不同浓度以及不同形态（铵态氮和硝态氮）沉降氮素的影响，并且碳底物的可利用性能够影响沉降氮素在土壤中的微生物同化过程。凋落物加入有利于不同浓度以及不同形态沉降氮素向土壤微生物残留物的转化，有利于沉降氮素的微生物固持，表现出以碳促氮的碳氮耦合作用机制。然而，无论碳源加入与否，与NO3-的利用相比，微生物均能够优先利用NH4+，但是微生物对不同形态沉降氮素的利用策略取决于沉降氮素的浓度。当土壤中沉降氮素的浓度比较高时，微生物会选择性的优先利用NH4+，抑制对NO3-的利用，但是当土壤中的沉降氮素的浓度较低时，微生物则会饥不择食，增加对NO3-的利用。此外，微生物对不同浓度沉降氮素的利用存在饱和效应，并且微生物对沉降氮素的利用存在由真菌残留物向细菌残留物的接替效应，但是真菌残留物在凋落物分解的后期阶段对NO3-利用的贡献增加了。本研究在理论上为科学评价沉降氮素在土壤中的存留过程奠定基础，在实践上为温带森林土壤氮素管理，正确评估森林土壤的氮汇潜力，缓解氮沉降所带来的负面影响提供科学依据。