表面反应对酸性土壤中硝化作用及硝化微生物的影响

Great variation of nitrification in acid soils has been reported, but the mechanisms are not entirely clear. Differences in the occurrence of nitrification cannot be solely explained by by abiotic factors including pH and N availability and biotic factors such as the composition of the soil bacterial community. But that still uncaptured factors contributed to suppression of nitrification. Recently, we found that nitrification in acid soil was significantly affected by soil specific area. Therefore, studies on the interaction between soil surface and nitrification, nitrifers will be carried out to elucidate the mechanism. Effects of different soil surface on net nitrification will be sudied by 15N labelled methods. SANS, qPCR and modified E-DLVO theory will be used in studying the interaction between different soil surfaces and nitrifers, including electrostatic, van der Waals interaction, Gibbs energy and kenetics of absorption. SEM and XRD will also be used to analysis the formation and distance of nitrifer adhension onto soil surface. The aim of this research is to confirm that soil surface reaction will affect nitrification in acid soils, and to differenciate the effects of organic, mineral and oxidate surface.

酸性土壤中的硝化作用有很大的空间变异，现已发现的影响因素包括pH、N有效性以及微生物的群落组成均不能完全解释这些变异。我们最近的研究发现：土壤表面对酸性土壤中的硝化作用与硝化微生物有显著影响。本项目拟进一步研究土壤表面反应对硝化作用与硝化微生物的作用机理。采用15N同位素双标法研究不同的土壤表面（包括有机表面、无机表面和氧化物表面）对硝化作用的影响；采用激光电泳散射仪，定量PCR，改进E-DLVO理论在细胞和分子尺度上定量研究不同表面对氨氧化细菌的作用力、吸附能,生长动力学以及吸附动力学，并结合扫描电镜和X-射线衍射仪分析表面和氨氧化细菌作用的距离与形态；探索土壤表面反应影响酸性土壤中硝化微生物以及硝化过程的机理。明确土壤表面反应对酸性土壤中的硝化作用有重要贡献，并厘清土壤矿物表面，有机表面和氧化物表面对硝化作用的影响；以期在分子尺度上揭示土壤表面对硝化微生物作用的部分机理。

围绕酸性土壤硝化作用空间变异大的科学问题，研究了土壤表面反应对硝化过程、硝化作用以及硝化微生物的影响机制。采用15N标记结合N素转化模型，研究了氧化铁对土壤N素转化的10种速率的影响。结果表明亚热带富铁土实际发生了硝化作用，但产生的硝酸盐在氧化铁的协同作用下被生物同化，形成高分子的有机N化合物。揭示了氧化铁协同作用下的生物同化是亚热带酸性土壤具有较高的无机氮固持能力的主要机制。采用13C同位素核酸标记结合基因测序研究了不同pH水稻土的硝化作用和硝化微生物群落结构。结果表明pH决定了AOB和AOA的群落结构分布；碱性水稻土中硝化作用的推动者主要是AOB，而酸性水稻土则是AOA。而且AOB对氨的氧化效率显著高于AOA。该结果为理解氨氧化微生物的生态学地位提供了新的依据。利用15N示踪技术，深入探究了Fe氧化物受土壤pH差异影响而导致的土壤硝化作用差异的机理。结果发现：低pH土壤中，Fe氧化物的加入可以增加土壤的净硝化作用和总N矿化率，但是会降低微生物N的固定；而在高pH土壤中，Fe氧化物加入的影响刚好相反。说明不同pH的土壤，Fe氧化物在其中的作用机理不同。利用稳定性同位素核酸探针（DNA-SIP）技术针对硝化微生物在土壤中可能存在的生态位分异机能，发现酸性泥炭土硝化作用由AOB主导；且AOB的amoA基因序列属于Nitrosospira cluster 3。.围绕上述工作，研究成果主要发表于国际上有重要影响的综合类期刊以及土壤学顶级刊物：如Nature 出版集团的Scientific Reports (IF=5.080), Soil Biology & Biochemistry (IF=4.410), Biogeoscience (IF=3.700), Soil & Tillage Research (IF=2.575), Catena (IF=2.482)等。项目第一资助发表论文14篇，其中7篇被SCI收录。申请国家发明专利4项。研究成果在国内外产生较大影响。