水库消落区土壤氮循环的关键过程对氮磷输入增加的响应机制

Water level fluctuation zone (WLFZ) often acts as an important sink for nitrogen (N) and phosphorus (P) from the terrestrial to the aquatic ecosystem. With the increasing N and P fertilizer inputs, effects of the increased N and P inputs on the soil nitrogen cycling in the WLFZ have been considered as the focus problem in the current global change research. In the present project, we will condult N and P addition experiment upon our previous studies-simulating three different hydrologic changes including non-flooded, permanently flooded and periodically flooded in situ, to investigate the responses of key processes of nitrogen cycling (i.e., nitrification, denitrification) and related microbial communities to the increased N and P inputs following the hydrologic changes and revegetaion in the WLFZ of the Three Gorges Reservoir (TGR). Using the multiple techniques, i.e., isotope pairing and microarray-based metagenomics (GeoChip 5.0), we will identify mechanisms by vegetation and environmental factors for the response of soil nitrogen cycling and functional genes associated with N cycling to the hydrologic changes, revegetation and the increased N and P inputs. Meanwhile, we will explore the relationships between the key processes and diversity and abundance of functional genes related nitrogen cycling and reveal the microbial mechanism for the effects of hydrologic changes, revegetation and the increased N and P inputs on the soil nitrogen cycling. The results of this project will fill some knowlege gaps on soil N cycling in the WLFZ and provide useful information for ecosystem management in the TGR.

水库消落区是拦截陆地氮、磷等进入水体的最后一道生态屏障，在全球氮、磷肥污染加剧的背景下，消落区生态系统氮循环过程将如何响应氮磷输入增加已成为当前全球变化研究的热点问题。本项目以三峡库区消落区忠县植被恢复区和自然植被区为研究对象，在前期开展的水文变化（连续水淹、周期性水淹-干旱和正常水位）对氮循环影响的研究基础之上，开展野外添加氮磷的实验，运用氮同位素配对、功能基因芯片等方法，研究消落区在植被恢复和水文变化下，土壤氮循环关键过程（包括硝化、反硝化作用）及其对应微生物功能基因的多样性和均匀度对氮磷添加的响应，揭示植被与环境因素对氮循环和微生物功能基因的影响机制；通过定量土壤氮循环关键过程与其对应微生物功能基因之间的相关性，揭示消落区在植被恢复和水文变化下氮磷输入增加对土壤氮循环关键过程影响的微生物学机理。本研究结果将丰富和发展对消落区生态系统氮循环的认识，为三峡水库生态系统管理提供科学依据。

消落区是拦截陆地氮、磷等进入水体的最后一道生态屏障，在全球氮、磷肥污染加剧的背景下，消落区生态系统氮循环过程将如何响应氮磷输入增加已成为当前全球变化研究的热点问题。本项目以三峡库区消落区忠县植被恢复区和自然植被区为研究对象，在前期开展的水文变化（连续水淹（CF）、周期淹水（PF）和正常水位（NF））对氮循环影响的研究基础之上，开展野外添加氮磷的实验，运用氮同位素配对、微生物分子生物学等方法，研究消落区在植被恢复和水文变化下，土壤氮循环关键过程及其微生物功能基因的多样性和丰度对氮磷添加的响应，揭示植被与环境因素对氮循环和微生物功能基因的影响机制；通过定量土壤氮循环关键过程与其对应微生物功能基因之间的相关性，揭示消落区在植被恢复和水文变化下，氮磷输入增加对土壤氮循环关键过程影响的微生物学机理。研究结果表明，水文变化和氮磷添加对消落区生态系统温室气体（CO2、CH4和N2O）排放有显著影响，其中CF显著降低了CO2和N2O的排放速率，氮磷同时添加使CO2排放稍有增长，而P添加与N和NP添加相比，极大降低了N2O排放。甲烷排放速率极大地受到水文处理的刺激，与对照相比，CF处理的甲烷排放速率增大了13.3倍，PF处理增大了5.7倍，养分添加对其影响不明显。通过计算100年尺度的全球增温潜势，发现CF减少了生长季温室气体排放157.80±41.24 g CO2-eq m-2，尽管CF增加了CH4排放，但显著抑制了CO2和N2O通量，进而导致总排放量减少。通过分子生物学等研究技术，发现水文变化和养分添加主要通过改变土壤环境因子（氧化还原条件、土壤湿度、土壤有机碳）及相关功能基因丰度来影响温室气体排放。此外，我们发现土壤反硝化速率并不受植被恢复的影响，而水文处理显著影响了反硝化速率，周期性淹水大大提升了反硝化速率，其主要通过影响功能基因丰度、土壤有机质和pH来调控。本研究结果为揭示消落区生态系统氮循环对全球变化的响应提供科学依据，丰富和发展了对消落区生态系统氮循环的认识。