增溫和干旱對(duì)土壤N2O排放和相關(guān)微生物的影響.pdf

1、氣候變化是人類(lèi)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(duì)農(nóng)田土壤以及自然森林土壤中營(yíng)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(chǎn)物之一。氣候變化對(duì)參與N循環(huán)中土壤微生物的影響會(huì)導(dǎo)致土壤N2O排放量的變化，從而導(dǎo)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(jìn)程。同時(shí)，近些年來(lái)，由于人類(lèi)對(duì)氣候變化的認(rèn)知進(jìn)一步的加深，氣候變化進(jìn)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(huì)對(duì)土壤N循環(huán)產(chǎn)生遺留影響，進(jìn)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(yīng)用熒光定量PCR(qPCR)和高通量測(cè)序等分子生物學(xué)技術(shù)，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(duì)菜園土和森林土N2O排放和相關(guān)微生物（氨氧化細(xì)菌和古菌，AOA，AOB;針對(duì)反硝化細(xì)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(duì)18SrRNA和真菌nirK的真菌群落）的影響。同時(shí)利用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，分別研究了不同溫度和水分條件對(duì)土壤N2O排放和相關(guān)微生物影響，以闡明氣候變化對(duì)土壤N2O排放影響的微生物機(jī)理，為預(yù)測(cè)土壤N2O的排放趨勢(shì)并制定相應(yīng)的減排措施提供理論依據(jù)。主要結(jié)果如下:
　　(1)增溫和干旱的綜合作用對(duì)土壤中N2O的排放和相關(guān)微生物的影響取決于不同的土壤類(lèi)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(duì)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(zhǎng)，而AOA則在酸性森林土中對(duì)氣候變化條件表現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)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(zhǎng)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(zhǎng)。
　　(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(duì)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(jī)肥處理中AOB的群落豐度，但僅對(duì)有機(jī)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(duì)反硝化微生物而言，無(wú)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(fù)其生長(zhǎng)，因而氣候變化對(duì)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(chǎn)生的N2O排放量，卻抑制了生物途徑產(chǎn)生的N2O排放量，同時(shí)真菌是高溫條件下酸性土壤N2O排放的主要貢獻(xiàn)者。在菜園土中，無(wú)論是尿素處理還是有機(jī)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(xué)過(guò)程是該尿素處理土壤中N2O排放的主導(dǎo)途徑。在菜園土中，AOA的群落豐度在有機(jī)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(dǎo)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(duì)反硝化微生物而言，菜園土中，有機(jī)肥處理下的反硝化nirS群落能很好的適應(yīng)高溫環(huán)境。而在酸性森林土中，反硝化細(xì)菌微生物群落（nirK，nirS和nosZ）的生長(zhǎng)均被顯著抑制，而真菌則能在有機(jī)肥處理的土壤中很好的適應(yīng)高溫條件，并可能是高溫環(huán)境下N2O排放的主要貢獻(xiàn)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(jī)肥處理的菜園土和森林土中適應(yīng)干旱條件的微生物菌群。干旱條件刺激了菜園土有機(jī)肥處理中AOA的群落生長(zhǎng)，而抑制了森林土有機(jī)肥和尿素處理中AOA的群落生長(zhǎng)。無(wú)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(zhǎng)。對(duì)反硝化微生物而言，有機(jī)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