增溫和干旱對土壤N2O排放和相關微生物的影響.pdf

1、氣候變化是人類歷史上所要面臨的重要挑戰(zhàn)之一。由氣候變化所引起的極端天氣，如高溫、干旱等對農田土壤以及自然森林土壤中營養(yǎng)元素循環(huán)，尤其是氮(N)循環(huán)的影響目前尚不清楚。氧化亞氮(N2O)作為一種重要的溫室氣體，是土壤N循環(huán)中的產物之一。氣候變化對參與N循環(huán)中土壤微生物的影響會導致土壤N2O排放量的變化，從而導致大氣中N2O濃度的增加或降低，繼而反作用于氣候變化的進程。同時，近些年來，由于人類對氣候變化的認知進一步的加深，氣候變化進程在一定

2、程度上得到了控制。但是以往的氣候變化條件是否會對土壤N循環(huán)產生遺留影響，進而繼續(xù)影響土壤N2O的排放目前還不清楚。因此，本文利用溫室在大田中模擬了增溫和干旱的氣候條件，應用熒光定量PCR(qPCR)和高通量測序等分子生物學技術，研究了增溫和干旱的綜合作用以及溫室拆除后氣候變化的遺留作用，對菜園土和森林土N2O排放和相關微生物（氨氧化細菌和古菌，AOA，AOB;針對反硝化細菌的亞硝酸鹽還原酶基因，nirS和nirK;N2O還原酶基因，no

3、sZ;和針對18SrRNA和真菌nirK的真菌群落）的影響。同時利用室內培養(yǎng)試驗，分別研究了不同溫度和水分條件對土壤N2O排放和相關微生物影響，以闡明氣候變化對土壤N2O排放影響的微生物機理，為預測土壤N2O的排放趨勢并制定相應的減排措施提供理論依據(jù)。主要結果如下:
　　(1)增溫和干旱的綜合作用對土壤中N2O的排放和相關微生物的影響取決于不同的土壤類型。模擬的增溫和干旱的氣候條件顯著減少了菜園土中N2O的排放，但對森林土中N2O

4、的排放影響不顯著。在施肥的菜園土中，AOB較AOA更適于在氣候變化條件下生長，而AOA則在酸性森林土中對氣候變化條件表現(xiàn)出更強的適應能力。NirK基因型的反硝化菌群是菜園土中適宜在氣候變化條件下生長的微生物群落，而在酸性森林土中，所有的反硝化功能菌群(nirK，nirS和nosZ)均不適宜在氣候變化的條件下生長。
　　(2)增溫和干旱的遺留作用顯著降低了菜園土中N2O的排放，卻增加了森林土中N2O的排放，但增溫和干旱的遺留作用對微

5、生物的影響是短暫的。菜園土中，模擬的氣候變化條件移除后顯著刺激了尿素和有機肥處理中AOB的群落豐度，但僅對有機肥處理中的AOA群落豐度有顯著刺激作用。而在酸性土壤中，模擬氣候變化條件移除后顯著刺激了尿素處理中AOA和AOB的群落豐度。對反硝化微生物而言，無論是在菜園土還是酸性森林土中，一旦模擬的氣候變化條件移除后，所有的反硝化功能菌群(nirK，nirS和nosZ)均能迅速恢復其生長，因而氣候變化對反硝化微生物的影響是短暫的。
　

6、　(3)高溫刺激了非生物途徑產生的N2O排放量，卻抑制了生物途徑產生的N2O排放量，同時真菌是高溫條件下酸性土壤N2O排放的主要貢獻者。在菜園土中，無論是尿素處理還是有機肥處理，N2O的排放量均隨溫度的升高而顯著降低。但在酸性土壤中，N2O排放量在尿素處理的土壤中隨溫度升高而升高，并且非生物的化學過程是該尿素處理土壤中N2O排放的主導途徑。在菜園土中，AOA的群落豐度在有機肥處理中隨溫度升高而顯著升高，并可能是40℃高溫條件下氨氧化作用

7、的主導者。而在森林土中，隨著溫度的升高，AOA和AOB的群落豐度均顯著降低。對反硝化微生物而言，菜園土中，有機肥處理下的反硝化nirS群落能很好的適應高溫環(huán)境。而在酸性森林土中，反硝化細菌微生物群落（nirK，nirS和nosZ）的生長均被顯著抑制，而真菌則能在有機肥處理的土壤中很好的適應高溫條件，并可能是高溫環(huán)境下N2O排放的主要貢獻者。
　　(4)較低的土壤含水量(40％ F.C.)顯著抑制了菜園土和森林土中N2O的排放量，A

8、OA和真菌nirK群落分別是有機肥處理的菜園土和森林土中適應干旱條件的微生物菌群。干旱條件刺激了菜園土有機肥處理中AOA的群落生長，而抑制了森林土有機肥和尿素處理中AOA的群落生長。無論在菜園土還是森林土中，AOB僅適于在100％ F.C.的含水量條件下生長。對反硝化微生物而言，有機肥的處理顯著增加了菜園土中nirS和nirK的群落豐度，但nirS群落豐度顯著受之前土壤水分條件的影響。但在酸性森林土中，干旱條件顯著抑制了森林土中反硝化菌