全球增温背景下农田黑土氮矿化对冻融作用的响应及其生物学机制

Global warming will change snow thickness and melting pattern in high latitudes areas, and even influence soil freezing-thawing processes. Under the background of global warming, the changes of soil freezing-thawing processes and its effect on ecosystems will attract great passion for researchers. However, the studies of freeze-thaw cycling on nitrogen mineralization and biological mechanisms for cultivated black soil have not been paid extensive attention. With the integration of in-situ real-time monitoring and indoor culture simulation, the nitrogen mineralization characteristics, biological driving mechanisms and their responses to air temperature increasing in the cultivated black soil were studied as affected by freezing-thawing to provide theoretic and practical supports for deeply understanding nitrogen cycle in non-growing seasons, sustaining soil nitrogen fertility and increasing nitrogen supplying capacity for cultivated black soil.

全球增温将改变高纬度地区的积雪厚度和融化格局，进而影响土壤的冻融过程。全球增温背景下，土壤冻融过程的变化及其对生态系统的影响引起了学者的极大兴趣。然而关于冻融作用对农田黑土氮矿化过程及其生物学机制影响方面的研究还没受到广泛关注。本项目采用野外原位实时监测与室内冻融模拟培养相结合的方法，研究冻融作用下农田黑土的N矿化特征和生物学驱动机制及其对气温升高的响应，为深入了解东北黑土非生长季的土壤氮素循环过程和黑土氮素肥力保持与供氮能力提高提供理论和实践支撑。

全球增温将改变高纬度地区的积雪厚度和融化格局，进而影响土壤的冻融过程。在全球增温背景下，采用野外原位动态监测与室内冻融模拟培养相结合的方法，重点探讨：1）冻融作用下农田黑土氮矿化特征及其对气温升高的响应行为；2）冻融作用下农田黑土氮矿化过程的生物学机制。通过3年的项目执行，完成了研究任务，研究结果对于了解东北黑土非生长季的土壤氮素循环过程和氮素肥力保持与供氮能力提高提供了理论和数据支撑。取得的主要研究结果：. 1、土壤可溶性氮组分以可溶性无机氮(DIN)为主，而DIN组分以硝态氮为主。随着冻结温度降低，土壤硝态氮、铵态氮、DIN和NNMR(净氮矿化速率)均显著增加，MBN(微生物量氮)显著降低。随着融化温度升高，土壤硝态氮、铵态氮、DIN、MBN和NNMR总体增加明显，而DON(可溶性有机氮)含量变化无规律性。. 2、 随着冻融频数增加，土壤硝态氮、铵态氮、DIN、MBN和NNMR的变化行为受氮素形态的制约。随着水分含量增加，土壤MBN含量先增加后降低，铵态氮、DIN和DON含量均显著增加，这与硝态氮含量的变化趋势正好相反。. 3、冻融作用对土壤有机氮组分含量影响显著 (P＜0.05)，且各组分含量大小顺序为总氮 ＞ 铵态氮 ＞ 氨基酸氮 ＞ 酸解未知氮 ＞ 氨基糖氮。土壤有机氮各组分含量变化行为受冻融因子和有机氮组分形态的双重制约。. 4、随着冻结温度降低，土壤蛋白酶活性先升高后降低，而硝酸还原酶活性显著升高。随着融化温度升高，土壤蛋白酶活性显著降低，而硝酸还原酶活性无规律性。随着冻融频数增加，土壤蛋白酶活性显著增加，土壤硝酸还原酶活性先升高后降低。随着水分含量升高，土壤蛋白酶活性显著升高，而硝酸还原酶活性显著降低。. 5、随着冻结温度降低，土壤微生物多样性指数chao1、ACE、simpson和shannon指数的变化行为受融化温度的协同影响。随着冻融频数和水分含量增加，土壤微生物多样性指数chao1、ACE、simpson和shannon指数均呈增加趋势。冻融土壤微生物群落结构主要有Proteobacteria，Actinobacteria，Gemmatimonadetes和Acidobacteria组成，且优势菌群受冻融因子的制约。