鼎湖山站开放平台研究成果之三--在南亚热带森林土壤氮转化研究取得系列进展

作者:鼎湖山站  更新时间:2020-06-30

热带和亚热带森林地区被认为是氧化亚氮(N2O)的主要自然排放源之一。在我国南亚热带地区,年降水分配不均以及持续高氮沉降的特点显著影响了土壤氮转化过程,从而潜在增加南亚热带森林土壤氮素的损失(淋溶和温室气体排放)。土壤氮转化包括氮矿化,硝化和反硝化过程,均由土壤微生物介导。然而,在全球变化背景下微生物如何调控氮转化过程尚不明确。

我园全球变化与生态过程课题组(PI:申卫军研究员、鹤山站站长)的研究人员,以鼎湖山常绿阔叶林为研究对象,通过建立拟氮沉降增加野外试验平台,共设4个氮水平(Control0 kg N ha-1 yr-1LN35 kg N ha-1 yr-1MN70 kg N ha-1 yr-1HN105 kg N ha-1 yr-1),进行了为期2年的野外氮矿化实验及N2O排放通量的监测,结合土壤性质、功能基因综合探讨南亚热带森林土壤氮转化响应氮沉降增加的微生物调控机制。研究发现:(1)硝化作用氨氧化古菌氨单氧酶基因AOA-amoA在土壤中占优势(图1Han et al., 2019);氨氧化古菌AOA丰度在MNHN处理分别增加了17.3%7.5%,但未呈现出统计学上的显著差异(Nie et al.,2019);但高氮添加显著降低了氨氧化细菌AOB和含nosZ基因的反硝化菌的丰度,而增加了含nirK基因反硝化菌的丰度。(2)施氮1年后中氮和高氮添加显著促进了净氮矿化速率,净硝化速率,硝态氮淋溶速率(Nie et al.,2019)。(3)土壤N2O排放通量在干季受到氮添加促进,在湿季却受到氮添加抑制,且这种促进/抑制效应在加氮处理的第二年有所减弱。湿季N2O排放受抑制是自养硝化和反硝化联合效应、且生成的N2O较大比例被进一步还原的结果;干季N2O排放受促进是异养硝化、自养硝化和反硝化联合效应、且生成的N2O由于被还原比例较低而得以存留的结果(Han et al., 2019)。(4)氮素转化与功能微生物丰度有一定的关联性,但偏最小二乘路径模型(PLS-PM)法分析得出氮添加对功能基因丰度有显著的负效应(Nie et al., 2019)。

另一项研究借助鹤山站野外人工模拟季节降水变化试验平台,通过为期两年(2013-2014)的监测,发现干季延长通过促进净氮矿化和硝化作用增加土壤NO3-含量;随后湿季强降雨显著提高NO3-淋溶和N2O排放量,最终降低了土壤无机氮含量的年平均值。进一步分析发现尽管干季延长、湿季更湿的降水季节变化可同时促进无机氮淋溶和气态氮排放,然而无机氮淋溶对土壤氮流失的贡献占主导地位(Chen et al., 2019)。

上述研究结果可为预测未来全球变化背景下,南亚热带森林土壤N2O排放的未来变化趋势具有重要的现实意义。以上研究得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金青年基金项目等资助。


1 氮添加下湿季(a)和干季(b)土壤氮素(铵态氮、硝态氮、有机氮、微生物生物量氮)、硝化/反硝化功能基因丰度和N2O排放通量的结构方程模型分析。

Nie,Y.,Han,X.,Chen,J.,Wang,M.,Shen,W*,2019. The simulated N deposition accelerates net N mineralization and nitrification in a tropical forest soil. Biogeosciences 16, 4277-4291. doi:10.5194/bg-16-4277-2019(IF=3.951)。

Han,X.,Xu,C.,Nie,Y.,He, J.,Wang, W.,Deng, Q.,Shen,W*,2019. Seasonal Variations in N2O Emissions in a Subtropical Forest with Exogenous Nitrogen Enrichment are Predominately Influenced by the Abundances of Soil Nitrifiers and Denitrifiers. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 124, 3635-3651. doi:10.1029/2019JG005477(科学院二区,IF=3.621)。

Chen,J.,Kuzyakov,Y.,Jenerette,G.D.,Xiao,G.,Liu,W.,Wang,Z.,Shen,W*,2019.Intensified Precipitation Seasonality Reduces Soil Inorganic N Content in a Subtropical Forest: Greater Contribution of Leaching Loss than N2O Emissions. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 124, 494-508. doi:10.1029/2018JG004821(科学院二区,IF=3.621)。


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