山地森林土壤中氨氧化古菌和细菌、反硝化真菌和细菌介导的氧化亚氮排放及其作用机制

Mountain soil ecosystem is one of the most important sources of greenhouse gas nitrous oxide (N2O) emissions. Thus, it is necessary to better understand the biological pathways leading to soil N2O formation in this ecosystem. ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB), and denitrifying fungi and bacteria have been established as the major pathways of N2O formation. However, their relative contribution to N2O emissions, as well as the key environmental factors and the underlying microbial mechanisms in mountain soils remain unclear. In this study, we will study these questions in Gongga Mountain forest ecosystems located in the east boarder of Tibet Plateau. We will collect soil samples at different elevational gradient in different season. By using high-throughput sequencing (Illumina Miseq and PacBio Sequel) techniques and conducting incubation experiment with selective inhibitors, we aim to (i) depict the relative contributions of AOA, AOB and denitrifying fungi and bacteria to N2O formation; (ii) reveal the key environmental factors shaping their relative contributions to N2O emissions; (iii) reveal the relationships between relative N2O production and AOA, AOB and denitrifying fungi and bacteria communities. This study will improve the prediction of future N2O emissions from mountain soil ecosystems, as well as a better modeling of biological nitrogen cycle in soil.

山地森林土壤是温室气体氧化亚氮（N2O）重要的源。氨氧化古菌（AOA）和细菌（AOB）、反硝化真菌和细菌是土壤N2O排放的主要生物途径，然而它们在山地森林土壤中对N2O排放的相对贡献、关键影响环境因子及微生物生态学机制尚不清楚。本研究拟以青藏高原东缘贡嘎山森林生态系统为研究对象，在不同海拔梯度样地、不同季节采集土壤样品，利用第二代和第三代高通量测序技术，结合原位选择性抑制剂培养实验，研究AOA、AOB以及反硝化真菌和细菌释放N2O的相对贡献在海拔梯度上的空间变异和季节变化规律；结合气候、植被以及土壤理化性质等环境因子，揭示影响不同N2O生物释放途径相对贡献的关键环境因子；揭示（活跃）菌群组成、丰度、多样性及相关功能基因表达水平与N2O释放贡献之间的关系。研究结果将为预测山地土壤N2O排放、完善土壤氮循环模型提供科学依据。

山地森林土壤是温室气体氧化亚氮（N2O）重要的源。氨氧化古菌（AOA）和细菌（AOB）、反硝化真菌（DF）和细菌（DB）是土壤N2O排放的主要生物途径，然而它们在山地森林土壤中对N2O排放的相对贡献及微生物生态学机制尚不清楚。本研究以青藏高原东缘贡嘎山森林生态系统中,不同海拔（2100米、2800米和3000米）和季节（夏季和秋季）的表层土壤为研究对象，利用第二代和第三代高通量测序技术，结合原位选择性抑制剂培养实验，揭示了不同N2O生物释放途径的相对贡献、关键环境因子及微生物生态学机制。结果显示，贡嘎山森林土壤N2O排放并无明显的季节和海拔规律，说明N2O的排放速率并不单纯地受某一气候因子或某一土壤理化性质的调节，而可能受到更为综合因素的调控。氨氧化微生物对N2O产生起主要贡献，占37 - 48%，其中AOB是最主要的N2O产生微生物。反硝化微生物也起一定作用，占19% - 31%，这与传统认识存在差异。土壤pH和NH4+-N含量是影响AOA和AOB释放N2O的主要调控因子，pH通过调节AOB amoA的丰度影响N2O释放活性。我们构建的潜在N2O产生能力指数（INP）用于表征不同微生物类群单位微生物活性差异，结果发现AOB的INP高于AOA，并且它们的INP与土壤pH分别呈显著正相关和负相关关系。鉴于该指数代表某一功能群落的内在特征，我们提出利用该指数预测不同微生物释放N2O的量。反硝化细菌DB的要显著低于反硝化真菌DF，这可能说明DF比DB具有跟高的N2O释放竞争力，可能与反硝化真菌和细菌在N2O产生和转化的代谢途径及酶活性上存在差异所致。研究结果为预测山地土壤N2O排放、完善土壤氮循环模型提供了科学依据。