氮沉降增加对长白山温带森林土壤硝酸盐（NO3-）异化还原过程的影响

The transformation status of nitrate plays a very important role in N cycle for forest ecosystems. Previous studies in temperate forest in northeast China had paid little attention to dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) process which played a very important role in nitrogen retention in forest ecosystems. Few studies have been done on the effect of nitrogen deposition on nitrate reduction processes in Chinese temperate forests, even though nitrogen deposition continues to increase in these areas. This study aims to focus on the effect of elevated nitrogen deposition on the dissimilatory reduction of nitrate, namely denitrificaiton and DNRA, based on the simulated nitrogen deposition in a temperate forest of Changbai Mountain in northeast China. A 15N tracer experiment will be conducted to test the occurrence of denitrification and DNRA and also the regulation forces from different factors (i.e. soil moisture, temperature and C/NO3-), and to calculate the gross and net rates of two processes by isotope dilution method. Moreover, we will analyze the functional microorganism by molecular biological method. These results will help to reveal the regularity of nitrate reduction and underlying microbial mechanism responding to elevated nitrogen deposition in the study area and enrich the theoretical basis of soilnitrogen cycle under global change.

土壤中硝酸盐的转化方式及流向在整个森林生态系统氮循环中具有很重要的地位。硝酸盐异化还原为铵过程在我国东北温带森林地区的关注很少，但其在森林生态系统中起到了重要的氮存留作用。目前我国温带森林生态系统氮沉降逐渐增加，针对氮沉降增加对硝酸盐转化过程影响的研究还较少。本项目以我国东北长白山温带森林为研究对象，研究氮沉降增加对土壤硝酸盐异化还原的影响，其中包括两个过程，即反硝化作用和硝酸盐异化还原为铵。本项目将采用氮同位素添加示踪技术，监测同位素的反应产物，判定两个过程的发生及不同因子（土壤湿度、温度、C/NO3-）的调控作用；通过氮循环模型，模拟计算两个过程发生的总速率和净速率；同时采用分子生物学手段解析两个过程功能微生物的丰度差异。本项目的实施能够揭示长白山温带森林土壤硝酸盐异化还原过程、土壤硝酸盐异化还原过程的微生物学机理及其对氮沉降增加的响应，为全球变化下氮循环过程研究提供理论基础。

氮沉降的增加对森林生态系统的影响已被广泛研究。硝态氮的异化还原（反硝化和DNRA）是土壤中重要的氮转化过程，DNRA途径对森林氮起到滞留作用，而反硝化导致森林氮的流失。氮沉降增加如何影响森林土壤硝态氮的转化方向，也是预测未来森林生态系统氮状态的重要依据。本项目运用15N示踪技术结合模型模拟DNRA速率，通过测定土壤排放N2O的速率估算硝酸盐的反硝化速率，比较两者在氮沉降增加下的变化；采用室内培养实验揭示土壤温度、水分对两者的调控规律；利用实时荧光定量PCR技术测定反硝化和DNRA过程关键功能基因丰度，揭示反硝化和DNRA过程速率与功能微生物类群的关系，探讨硝酸盐异化还原过程变化的微生物机理。野外的模拟实验结果表明氮沉降增加显著提高了反硝化速率，而对DNRA过程起到了抑制作用；反硝化与DNRA存在此消彼长的关系。土壤温度、水分对反硝化和DNRA过程的影响有所不同：温度越高越有利于反硝化过程，而DNRA易在温度低的土壤中发生；土壤含水量越高越有利于反硝化过程，而DNRA过程受土壤含水量的影响较小。反硝化菌的nirS基因丰度受土壤温度的影响较明显，温度越高数量越大（p < 0.05），nirS和nirK基因丰度在较高土壤含水量下的丰度显著高于低含水量的土壤（p < 0.05），此外，nirK和nosZ基因丰度与土壤反硝化速率以及nrfA基因丰度与土壤DNRA速率都具有显著的正相关关系，说明携带有这些基因的菌群对长白山森林土壤硝酸盐的异化还原至关重要，这也为全面揭示土壤氮转化过程的微生物学机理提供了重要的依据。总体看来，长白山阔叶红松林土壤中的反硝化速率远远高于DNRA速率，土壤温度和水分都对反硝化作用起到了重要的调控作用，DNRA只对土壤温度较为敏感。另外，氮沉降增加对硝态氮的固持并没有显著影响，而显著增加了土壤氮的矿化，因此未来长白山阔叶红松林氮沉降量增加很有可能会导致更多氮素的流失。