氮沉降增加温带森林土壤N2O排放的微生物作用机制

多数关于大气氮沉降的研究显示氮的输入增加了森林土壤N2O排放，且存在季节性的排放差异，但对其中起决定作用的土壤微生物的驱动机制还不太了解。本研究以长白山温带阔叶红松林氮沉降模拟试验为依托，基于6年野外观测数据的结果，拟采用微生物分子生态学方法，包括PCR、T-RFLP、荧光定量PCR、克隆文库构建等技术，结合实验室培养试验、土壤属性测定，分析不同形态氮沉降作用下，森林土壤硝化和反硝化过程关键功能微生物种群演变与土壤源N2O排放的季节性变异特征的关联机制，揭示氮沉降增加土壤源N2O排放的微生物作用机理，为寻找对森林土壤氮沉降或"氮饱和"敏感的功能微生物提供基础理论和方法。

温带森林生态系统储存了大量的氮，气候变化（氮沉降，增温和降雨减少）可能会影响土壤N循环从而影响着温室气体N2O的产生和消耗（N2）。在本项目的支持下，我们做了大量实验室分析工作，分析上述气候变化因素对N2O和N2产生的微生物学机制。. 本研究结果显示，六年连续的氮沉降处理，显著增加了土壤硝化细菌AOA和AOB的数量，对反硝化细菌数量的影响因不同基因而异。而增温和降雨减少的共同作用下，土壤硝化细菌丰度和多样性显著增加，而反硝化细菌丰度和多样性显著降低，相关分析显示土壤湿度可能是控制这两种功能种群的关键因子。. 我们设计了不同温度和氧气条件的培养实验，对土壤添加碳氮源，结合“Helium-gas-flow-soil-core”技术、分子生物学技术、15N稳定同位素标记技术来分别直接测定N2O和N2的排放、反硝化基因cnorB（NO还原酶基因）和nosZ（N2O还原酶基因）的丰度和表达、总氨化速率和DNRA（硝酸盐异化还原成氨）速率，以期能反应气候变化处理（增温和降雨减少）对N2O和N2的排放潜式，相关的微生物作用机制以及DNRA和反硝化作用竞争NO3--N的消耗。实验结果显示，气候变化（增温和降雨减少）处理降低了土壤cnorB基因的丰度，但是对nosZ基因丰度没有显著影响。与DNA水平相反，气候变化增加了cnorB基因的表达量，且与N2O的排放趋势一致，而nosZ的表达量与N2排放成显著的正相关（R2=0.83）。但是气候变化对总反硝化潜式（N2O+N2）和DNRA速率的变化不显著。值得注意的是，DNRA速率达到了反硝化速率的三分之一，因此与反硝化相比，DNRA同样能够显著的竞争底物NO3--N，对森林土壤N素保持可能会有显著的贡献。本研究揭示了以nosZ基因表达为分子标志物，为解决N2损失量的估算上提供了新颖且重要的方法和依据。. 本研究的培养实验投稿到土壤学一区杂志“Soil Biology & Biochemistry”，目前已经修回（稿件编号SBB9800R1），等待结果。另外两篇英文论文已经完成初稿，并且于2013，2015两年被选为EGU（European Geosciences Union）口头报告，报告编号分别为EGU2013-7471 和EGU2015-1487。..