西南亚高山人工针叶林生物固氮过程及其机理研究

Currently, subalpine coniferous plantation forests play a critical role in the terrestrial ecosystems in southwest of China. Recent two decades, most of study mainly focus on the plant biodiversity and nitrogen cycling in forest soils. The effort only made to explore the nitrogenase activity or nitrogen fixation rates in the forest soils, which greatly limits our understanding on biotic and abiotic mechanisms of biological N fixation by free-living diazotrophs especially associate with growing seasons and soil depths in subalpine coniferous plantation soil. Therefore, this study will carry out to assess mechanism of soil biological N fixation linked to growing seasons and soil depths through applying quantitative PCR and Miseq pyrosequencing methods in the eastern Tibetan Plateau. Our objectives are: 1) to characterize nitrogen fixation rates during different seasons and soil depths；2) to explore changes of diazotrophic community composition、abundance、functional activity and environmental factors; 3) to explain both biotic and abiotic mechanisms of biological N fixation in subalpine coniferous forest soil. The project will deepen the understanding of microbial mediation of nutrient inputs and greatly advance the management of subalpine coniferous forest soil fertility.

目前，对森林生物固氮过程与调控机理研究甚少，尤其缺乏固氮菌功能活性与生物固N速率的耦联研究，限制了对森林N循环过程的深入认识。本项目以亚高山人工云杉林为对象，以参与固氮过程的功能微生物和功能活性为切入点，以土壤生物固氮过程为核心，采用功能基因的高通量测序与定量PCR方法相结合分析，重点聚焦不同季节和不同土层生物固氮过程变化规律，并同步监测固氮菌特征（包括群落结构、多样性和功能活性）与环境要素变化（土壤理化特性、温湿度），旨在: 1)揭示西南亚高山人工林不同季节和不同土层固氮速率变化规律； 2)同步解析不同固氮菌群落结构、多样性、功能活性和环境因素变化特征；3）在此基础上，诠释人工林土壤固N速率时空差异产生的关键微生物与非生物作用机理。本研究的实施可极大地丰富对亚高山人工林N素循环过程的新认识，同时也为人工林生态服务提升和可持续管理提供理论基础。

生物固氮有效缓解分布在高海拔区域针叶林的养分限制。然而，关于亚高山森林土壤中由固氮微生物调控的生物固氮速率和通量研究还存在高度空白，限制了我们对森林生态系统中根系-土壤-微生物互作过程与氮养分输入的生态重要性认识。本项目以亚高山针叶林为对象，以参与固氮过程的功能固氮微生物和功能活性为切入点，以土壤生物固氮过程为核心，采用15N2同位素法测定固氮速率，结合nifh功能基因高通量测序方法，重点解析高寒森林生产力维持的养分供应机制。主要研究结果如下：1)提升了森林养分输入途径研究技术体系，获得根际技术国家专利1项，为深化了解高寒森林养分输入生态重要性提供了技术支撑；2)揭示了由少量活性固氮菌群介导根际和非根际土壤生物固氮通量及其调控因子；3)从根际空间这一独特视角，破译了高寒森林生产力养分维持机制的“密码”。以上研究工作极大地加强了对高寒森林养分输入途径及其通量生态重要性的认知，为提升本区域生态优势提供了理论依据。依托本项目共发表研究论文5篇，其中SCI论文4篇，中文1篇，正在审稿论文3篇，参与出版森林根系分泌物研究专著1部。