青藏高原高寒草甸土壤硝化反硝化微生物群落及其N2O排放对增温增水的响应

The present study focuses on the responses of N2O emission and relevant functional communities to global warming in alpine grasslands on the Tibetan Plateau. In this project, three warming gradients, two warming modes and one surge pattern will be used to really simulate the global warming. We aim to 1) continuously monitor the soil N2O emission with static chamber and gas chromatography method based on the field stations and determine the distribution of nitrifying and denitrifying communities in soils with different warming patterns and time by using functional genes as the molecular markers and by using quantitative PCR, T-RFLP and clone sequencing; 2) determine the relative contributions of key microbiological process including autotrophic nitrification, heterotrophic nitrification and denitrification to N2O emission under four kinds of typical warming and surge conditions based on microcosm simulation and 15N isotope tracer technique, and then further study the community expression mechanism of nitrifying and denitrifying communities on the basis of gene expression and other techniques. In this study, warming simulation is quite close to real global warming trend, hence continuous and in situ observation data of N2O emission will support the accurate estimation and prediction of N2O emission caused by the global warming；in addition, both isotope and RNA are the more effective chemical and molecular technologies appropriate to study the response and adaptive strategy of soil nitrifying and denitrifying communities to the global warming, thus it will make up more real microbial data for existing N2O estimation model.

本项目以青藏高原高寒草甸为研究对象，设计3种增温梯度、2种增温模式和1种增水方式摸拟全球变暖，以更真实地研究土壤N2O排放及相关功能群落对全球变暖的响应。主要研究内容为：基于野外增温增水平台，利用静态箱-气相色谱连续观测土壤N2O排放规律，利用功能基因作分子标记，采用定量PCR、T-RFLP和克隆测序等技术，测定不同处理和不同增温时间下土壤硝化、反硝化菌群落分布特征；通过室内微宇宙模拟和15N同位素示踪技术，研究典型增温增水条件下，关键微生物过程对N2O排放的相对贡献，基于基因表达等技术进一步研究硝化、反硝化微生物的群落表达机制。更真实的野外增温模拟和长期连续观测，将为准确估算和预测全球变暖引起的土壤N2O排放变化提供有力的数据支持；基于同位素和RNA等更加有效的分析手段，将有助于研究土壤硝化、反硝化微生物群落对全球变暖的响应和适应策略，为现有的N2O估算模型填补更多更真实的微生物学数据。

本项目通过模拟全球气候变暖，同时基于不同温度和水分海拔梯度组合的自然条件，采用静态密闭箱-气相色谱以及分子生态学等测定技术，结合野外实地观测和室内分析试验，对青藏高原高寒草甸生态系统土壤相关氮循环功能微生物群落以及N2O排放特征进行了研究。本项目研究结果表明：（1）高寒草甸土壤氮循环关键微生物群落丰度和结构对不同增温处理均具有一定的适应性，在短期增温条件下，各处理之间均无显著差异；而随着增温时间增长，增温处理显著提高了nirK、nirS和nosZ关键功能基因的丰度，同时促进了其群落结构的变异；其中nosZ反硝化菌群落丰度和结构受温度影响最为敏感。（2）氮循环关键功能基因nirK和nirS的群落丰度和结构对增减水处理具有一定的适应性，直至处理一年后才出现了显著的变化；nosZ反硝化菌群落结构对降水变化的响应非常敏感，增减水处理1个月，群落结构即发生显著变化。增温2℃在一定程度上调控了降水变化对氮循环关键微生物群落的影响。排序分析结果显示，采样时间是影响增温增水处理条件下微生物群落丰度和结构差异的显著因子，除了处理时间的累积效应以外，季节性因素包括气温、降水以及植被条件等也是造成微生物群落变异的重要因素。（3）在温度和水分梯度组合的高寒草甸土壤中，反硝化菌群落结构、丰度以及N2O排放规律均呈现显著差异；通过排序分析发现，这些差异主要由土壤水分和温度所驱动。然而，不同功能基因的丰度、反硝化潜势及野外的N2O通量数据均表明，土壤微生物反硝化主要是作为N2O的吸收汇，而并不是这一地区N2O的主要贡献途径。基于时空替代策略，我们推测增温和干旱将对土壤反硝化菌群落丰度和功能具有显著的负效应，可能会导致土壤反硝化过程从还原N2O转变为产生N2O，从而正反馈于全球变化。以上研究结果初探了氮循环关键微生物群落及其功能对气候变化的响应和反馈机制，为预测气候变化对青藏高原生态系统的影响提供了初步的理论依据，同时为现有的N2O估算模型填补更多更真实的微生物生态学数据。