长白山森林土壤氮转化对氮沉降和降水变化响应的微生物学机制

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土壤氮循环是森林生态系统主要生物地球化学过程之一,具有重要环境效应,受到广泛关注;目前,我们对其如何响应氮沉降和降雨量变化还知之甚少。土壤细菌群落在生态系统功能及服务中起着不可替代的作用,其群落组成和多样性对气候变化的响应具有重要科学意义。  本研究以长白山阔叶红松林减水施氮样地土壤与次生杨桦林长期施氮样地土壤为研究对象,分析了土壤硝化作用、反硝化作用以及硝化功能微生物(氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB)、反硝化功能微生物(nirK、nitS和nosZ)和固氮功能微生物(nifH)对氮沉降、降水减少及氮水耦合作用的响应。并且,通过高通量测序探究土壤细菌多样性和群落组成特征对全球气候变化响应。结果表明:  (1)阔叶红松林与次生杨桦林土壤nifH固氮微生物群落组成和基因丰度对氮添加与降水减少的响应不同,前者主要由土壤铵态氮含量驱动;后者主要由土壤含水量驱动。  (2)施氮处理增加了次生杨桦林土壤净硝化速率且低氮处理下硝化速率最高;降水减少处理降低阔叶红松林土壤诤硝化速率的同时降低了AOA-amoA基因丰度和AOA遗传多样性;氮水交互作用对硝化过程无显著影响。AOA对硝化过程的介导处于主导地位,AOB群落组成对环境变化的响应比AOA更加灵敏。  (3)随施氮量增加,次生杨桦林土壤反硝化潜势先升高后降低;阔叶红松林土壤在施氮作用下反硝化潜势略有降低;反硝化微生物群落组成和基因丰度对气候变化响应不同;nitS基因丰度对反硝化潜势具有主导作用,土壤含水量和硝态氮含量是土壤反硝化潜势和nirS基因丰度的重要影响因素;反硝化功能基因丰度的变化而非功能微生物群落组成的变化促成水氮对反硝化潜势的影响。  (4)两林型土壤细菌群落中优势细菌门类高度一致,并且,这些优势类群的相对丰度存在较高空间异质性,对氮添加与降水减少处理无明显响应。阔叶红松林中,土壤细菌相对丰度受处理影响最大的门和属中分别是BRC1和Amaricoccus;次生杨桦林中,土壤细菌相对丰度受处理的影响最大的门与属分别是装甲菌门和酸杆菌属。各菌群对施氮及降水减少处理的响应不一。  (5)施氮处理降低土壤细菌群落的遗传多样性,低氮处理显著影响土壤细菌群落组成;降水减少处理提高了土壤细菌群落遗传多样性;氮水交互作用提高了土壤细菌群落遗传多样性并显著改变了细菌群落组成。  综上,结果说明,氮沉降及降水变化对土壤氮转化及其微生物群落组成和多样性产生不同影响,其变化机制各不相同。本研究为温带森林土壤氮转化及其微生物学机制研究提供了基础数据。
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