东北地区多年冻土活动层土壤氨氧化微生物对冻融作用的响应及反馈作用研究

This study will focus on the distribution of ammonia-oxidizing microorganisms and the response of its community composition and function the freeze-thaw cycles of the active layer, in the permafrost of the Northeastern China. We used field experiments, combined with microbial ecology, metagenomics and high-throughput sequencing and other related molecular biotechnics, to explore the community structure, diversity and ecological functions of ammonia-oxidizing microorganismsi n the permafrost of the Northeastern China. We will focus on the influence of freeze-thaw action on the succession of microbial community structure of ammonia-oxidizing microorganisms in the active layer of permafrost and the impact on greenhouse gases emissions. In order to clarify microbial mechanism of greenhouse gases emissions, we will build the relationship model between the greenhouse gas emissions and the microbial community structure of ammonia-oxidizing microorganisms. To reveal the response, adapt and feedback mechanism of ammonia-oxidizing microorganisms in active layer of permafrost to environmental factors, we study the key ecological factors that impact the microbial community structure and function of ammonia-oxidizing microorganisms in permafrost active layer. The result may also be an important foundation of the ecology and physiology of the ammonia-oxidizing microorganisms and give more theory supporting on the subsequently researches, and will support the subsequent researches on the relationship between the nitrogen metabolic that performed by the ammonia-oxidizing microorganisms and the global change.

本项目以中国东北地区多年冻土活动层土壤中氨氧化微生物为研究对象，采用野外现场试验的研究方法，并应用微生物生态学、宏基因组学等相关学科的理论与技术，开展东北地区多年冻土活动层氨氧化微生物群落结构、多样性和生态功能研究，重点考察冻融作用对冻土活动层氨氧化微生物群落结构演替及温室气体产生的影响，探寻影响多年冻土活动层土壤中氨氧化微生物群落结构与功能的关键生态因子，揭示多年冻土活动层氨氧化微生物对冻融作用的响应、适应和反馈机制，分析冻融循环过程中温室气体释放的时空变化规律，进而阐明冻融循环过程中温室气体产生的微生物学机制。将冻土环境氨氧化微生物介导的氮代谢过程与全球变化联系起来，研究结果对阐明东北多年冻土生境中氨氧化微生物对全球变化的响应与反馈机制提供科学依据与理论支持。

多年冻土占北半球陆地表面积的25%，冻土中含有大量的土壤有机碳和全氮，是重要的土壤碳和氮库。受到全球气候变化的影响，全球范围的多年冻土均呈现退化的趋势，这会改变微生物群落结构及其介导的碳氮循环过程，导致大量的温室气体释放到大气中。本项目以中国东北地区多年冻土典型沼泽湿地为研究对象，采用野外现场试验的研究方法，重点考察了冻土类型和冻融作用对冻土活动层温室气体产生的影响，分析了不同冻土和冻融循环过程中温室气体释放的时空变化规律，并阐明了冻融循环过程中温室气体产生的微生物学机制。经过4年的研究，我们发现：三种类型沼泽湿地细菌、古菌和真菌的多样性指数在不同植被条件土壤间并未呈现显著差异，而且不同植被条件的土壤中有显著分布差异的微生物的属大多与土壤氮代谢和甲烷代谢功能相关；三种类型沼泽湿地CO2通量季节变化均显著受到土壤温度的影响，CH4通量的影响因素存在差异，兴安落叶松-杜香沼泽湿地（XD湿地）和灌丛-苔草沼泽湿地（GT湿地）受到土壤温度的显著影响，而兴安落叶松-苔草沼泽湿地（XT湿地）受到水位的影响；冻融作用显著影响了N2O、CO2和CH4通量的季节变化特征，冻融期原核生物群落多样性会呈现较大波动，而冻融期真菌群落多样性则略高于其他季节，XT湿地的CH4通量主要受到空气温度和土壤水分的共同影响；在生长季和冻融期，沼泽湿地类型对平均N2O通量均无显著的影响，生长季N2O累积排放量对年通量的贡献率在42.10–53.24%，冻融期N2O累积排放量对年通量的贡献率在15.13–32.52%；三种类型沼泽湿地生长季对全年全球增温潜势（GWP）的贡献占全年GWP的66.99–77.99%，在三种温室气体中，C通量（CO2和CH4）对年GWP的贡献最高，其中CO2的贡献在77.96–94.23%，CH4的贡献在0.54–20.17%，而N2O通量只占1.86–5.23%。研究结果明确了在全球气候变化背景下多年冻土退化和土壤温度升高会增加多年冻土区的GWP，为全球气候变暖条件下多年冻土区温室气体释放的响应提供了科学依据。项目在执行期间，发表SCI论文22篇，圆满完成了4年的研究任务，达到了预期目标。