旱地土壤氮循環(huán)過(guò)程及新型氮循環(huán)微生物的分布與活性.pdf

1、在地球生物循環(huán)中，氮元素是極其重要的營(yíng)養(yǎng)元素，生物氮循環(huán)與碳循環(huán)聯(lián)系緊密。近年來(lái)，厭氧氨氧化反應(yīng)（anaerobic ammonium oxidation，anammox）和反硝化厭氧甲烷氧化反應(yīng)(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation，n-damo)等新型氮循環(huán)過(guò)程被發(fā)現(xiàn)，新的氮、碳循環(huán)理論體系不斷完善。然而目前，人們對(duì)氮循環(huán)過(guò)程的了解還存在相當(dāng)多的空缺。對(duì)厭氧氨氧化和反硝化厭氧甲烷

2、氧化反應(yīng)的研究也主要集中在水生態(tài)環(huán)境，關(guān)于其在旱地生態(tài)系統(tǒng)中的分布及作用研究較少。
　　因此，本論文綜合利用分子生物學(xué)技術(shù)、環(huán)境理化因素分析與穩(wěn)定同位素示蹤法，對(duì)土壤氮循環(huán)進(jìn)行分步過(guò)程探究，對(duì)新型氮循環(huán)微生物厭氧氨氧化菌、反硝化厭氧甲烷氧化菌在旱地土壤中的分布與活性進(jìn)行了研究，并且對(duì)氮循環(huán)微生物（氨氧化古菌、氨氧化細(xì)菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌和反硝化厭氧甲烷氧化菌）之間的相互作用進(jìn)行了探究。通過(guò)對(duì)不同類型旱地土壤樣品的分析，得出以

3、下結(jié)果:
　　在不同旱地土壤柱狀樣品中，好氧氨氧化速率(NH4+-NO2-)是亞硝酸鹽氧化速率(NO2--NO3-)的0.16-124.93倍，硝化反應(yīng)不應(yīng)被看作單一的過(guò)程，而是作為好氧氨氧化反應(yīng)和亞硝酸鹽氧化反應(yīng)兩個(gè)獨(dú)立的步驟。與硝化過(guò)程類似，反硝化過(guò)程中的硝酸鹽還原反應(yīng)(NO3--NO2-)和亞硝酸鹽還原反應(yīng)(NO2--N2)并不同步，同樣是兩個(gè)獨(dú)立的步驟。另外，旱地土壤氮循環(huán)中NO2-來(lái)源差異較大，硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程均可能

4、主導(dǎo)氮循環(huán)，提供主要NO2-來(lái)源。消耗NO2-的四種氮循環(huán)過(guò)程（亞硝酸鹽氧化、亞硝酸鹽還原、厭氧氨氧化和硝酸鹽異養(yǎng)還原反應(yīng)）在不同類型旱地土壤中發(fā)揮的作用差異較大。
　　新型氮循環(huán)微生物厭氧氨氧化菌在旱地土壤中不僅數(shù)量較少(5.93×103-2.60×105 copies g-1)，其活性同樣較低(0.002-0.52 nmol N g-1 h-1)。厭氧氨氧化反應(yīng)在垂向土壤中的分布極不均勻，垂向土壤柱狀樣品中位于水位線附近的厭氧

5、氨氧化菌活性最高，與豐度最大值出現(xiàn)的區(qū)域一致。臨近水位線的厭氧氨氧化反應(yīng)速率顯著高于反硝化反應(yīng)速率，主導(dǎo)土壤氮損失。此外，厭氧氨氧化菌NO2-來(lái)源由土壤氮循環(huán)的主導(dǎo)過(guò)程決定。硝化過(guò)程占主導(dǎo)時(shí)，好氧氨氧化反應(yīng)為厭氧氨氧化菌提供NO2-底物;土壤氮循環(huán)由反硝化過(guò)程主導(dǎo)時(shí)，硝酸鹽還原反應(yīng)為厭氧氨氧化菌提供NO2-底物。
　　在北澧河旱地農(nóng)業(yè)土壤中的研究中發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化菌具有十分明顯的時(shí)空異質(zhì)性并且其生物多樣性較高，‘Brocadia’

6、、‘Kuenenia’和‘Jettenia’屬均存在，其生物多樣性在亞表層土壤中最高。反硝化厭氧甲烷氧化菌在旱地農(nóng)業(yè)土壤中的時(shí)空異質(zhì)性同樣明顯，但是其生物多樣性較低。另外，反硝化厭氧甲烷氧化菌在旱地土壤中的垂向分布是不連續(xù)的，僅存在于土壤的某些深度。底物的缺乏以及與反硝化菌之間的競(jìng)爭(zhēng)可能是導(dǎo)致反硝化厭氧甲烷氧化菌垂向不連續(xù)分布的重要原因。
　　旱地土壤中夏季厭氧氨氧化菌的數(shù)量（2.56×106-7.87×107copies g-1

7、）高于冬季(2.77×105-1.06×107copies g-1);而反硝化厭氧甲烷氧化菌則是冬季數(shù)量較高，夏季其豐度值為1.44×104-1.28×106 copies g-1，而其冬季豐度值為4.48×104-4.62×106 copies g-1。
　　在北澧河旱地農(nóng)業(yè)表層土壤中(0-20cm)，反硝化反應(yīng)速率(NO2--N2)(1.23-2.73 nmol N g-1 h-1，85.0-99.0％)大于厭氧氨氧化反應(yīng)速率

8、(0.01-0.46 nmolN g-1 h-1，1.0-14.4％)和反硝化厭氧甲烷氧化反應(yīng)速率(0.02 nmol N g-1h-1，0.6％)，由反硝化反應(yīng)、厭氧氨氧化反應(yīng)和反硝化厭氧甲烷氧化反應(yīng)造成的氮損失分別為40.23-89.07 g N m-2yr-1、0.41-15.07 g N m-2yr-1和40.65 g N m-2yr-1，由反硝化反應(yīng)主導(dǎo)土壤氮損失。然而在亞表層及深層土壤中(20-300 cm)，厭氧氨氧化反應(yīng)

9、速率(0.00005-0.18 nmol N g-1 h-1，51.4-89.5％)大于反硝化反應(yīng)速率(0.00001-0.06 nmol N g-1 h-1，10.5-48.6％)，并且檢測(cè)不到反硝化厭氧甲烷氧化反應(yīng)的發(fā)生。由反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)造成的氮損失分別為0.00028-1.88 g N m-2yr-1和0.0015-5.78g N m-2yr-1，土壤氮損失由厭氧氨氧化反應(yīng)主導(dǎo)。
　　關(guān)于土壤氮循環(huán)分步過(guò)程及新型氮循