氮沉降背景下土壤微生物群落演变规律及其生态交互作用

Nitrogen deposition, as an important component of global change, has greatly contributed to the change of ecosystem function, particularly the microbial-mediated biogeochemical processes, while microbes are likely to respond rapidly to the increasing amount of nitrogen. In this project, combined with the most advanced sequencing techniques (pyrosequencing), microarray-based genomic (Geochip) techniques and bioinformatics technology (Microbial network analysis), the microbial gene abundance, community structure, genomics information, microbial function and their interaction under N deposition will be analyzed based on long-term N application stations and microcosm incubation. The impact of nitrogen input on soil microbial community and ecological interaction between microorganisms could be obtained through large-scale and rhizosphere-scale experiments, respectively. Using "gene-community-function" as research frame, the aims of this project is first to understand the evolution of microbial community and response mechanism under nitrogen deposition, and second to investigate the impact of anthropogenic disturbance to the microbial life strategy, resistance and resilience, which could provide important information for appraising global change effects and maintaining ecosystem service.

氮沉降作为全球气候变化的重要内容，是影响生态系统过程，特别是微生物介导的生物地球化学循环过程的重要因素，而微生物同时也会对氮的增加产生一系列的响应。本项目以长期定位施肥实验、室内培养和根际盆栽实验为研究手段，利用先进的基因组高通量测序技术、Geochip基因芯片技术和生物信息学分析手段，以"基因-群落-功能"为中心，通过分析微生物数量、群落结构、功能基因丰度、微生物生态功能及其相互耦合关系，以期从大尺度阐述氮沉降对土壤微生物群落的生态效应，从根际微环境解析氮沉降背景下土壤微生物群落的生态交互作用。通过微生物网络分析手段从群落物种组成变化及其功能演变这一高度，深入探析氮沉降背景下土壤微生物群落演替规律及其响应机制，揭示人为干扰对群落共生与竞争生存策略的影响，考查土壤微生物对人为扰动的抵抗力和恢复力，为评估土壤微生物响应氮沉降增加的生态效应和维持生态系统服务功能提供理论支持。

随着人类活动干扰的加剧，全球气候变化及其生态效应日益成为人们关注的焦点，其中人类对全球氮循环（例如通过施氮肥）的干扰已经远远超过对地球上其他主要生物地球化学循环的影响。超负荷的氮输入已超出生态系统氮承受能力，进而影响了一系列与生态系统功能相关的过程。氮沉降作为全球气候变化的重要内容，是影响生态系统过程，特别是微生物介导的生物地球化学循环过程的重要因素，因此，对氮循环过程的认识是研究土壤微生物和氮沉降关系的必不可少的内容。本项目以室内微宇宙培养实验、长期氮沉降控制实验和野外大尺度调查取样为研究手段，利用分子生物学技术包括定量PCR技术和高通量测序技术等方法，从不同空间尺度研究氮沉降对土壤微生物群落功能及微生物多样性的影响，取得了以下主要进展：发现红壤的氨氧化能力显著低于潮土和黑土，随着氮输入量的增加，碱性潮土的氨氧化潜势也显著递增，而其他两种类型的土壤差异不显著；进一步证实了硝化抑制剂对红壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落组成的影响，而对潮土仅作用于氨氧化细菌；探讨了多种全球变化驱动因子对氨氧化和反硝化微生物群落结构的交互作用，揭示了地下生态系统对多因子全球变化的响应机制；明确了我国典型旱地土壤微生物在大尺度范围内的分布特征与驱动因子。受项目资助，共发表SCI论文6篇，中文4篇，获奖1项，培养研究生3名。