Responses of soil N2O emissions to experimental warming regulated by soil moisture in an alpine steppe

土壤氧化亚氮(N₂O)排放是大气N₂O不可忽视的来源。然而, 目前学术界在气候变暖对土壤N₂O排放影响方面的认识仍存在较大争议, 且调控土壤N₂O排放的微生物机制尚不明确。为此, 该研究以青藏高原高寒草原生态系统为研究对象, 使用透明开顶箱(OTCs)模拟气候变暖, 并基于静态箱法测定了2014和2015年生长季(5-10月)的土壤N₂O通量, 同时利用定量PCR技术测定了表层(0-10 cm)土壤中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的基因丰度。结果显示: 增温处理导致2014和2015年生长季表层(0-10 cm)土壤温度分别升高了1.7 ℃和1.6 ℃, 土壤体积含水量下降了2.5%和3.3%, 其他的土壤理化性质没有发生显著变化。土壤N₂O通量呈现年际差异, 2014和2015年生长季的平均值分别为3.23和1.47 μg·m ^-2·h ^-1, 然而, 增温处理并没有显著改变土壤N₂O通量。2014年生长季主导硝化作用的AOA和AOB的基因丰度分别为5.0 × 10 ⁷和4.7 × 10 ⁵拷贝·g ^-1, 2015年为15.2 × 10 ⁷和10.0 × 10 ⁵拷贝·g ^-1。尽管基因丰度存在显著的年际差异, 但在两年中与对照相比并未发生显著变化。在生长季尺度上, 增温导致的土壤N₂O变化量与其引起的土壤水分变化量之间显著正相关, 而与土壤温度的变化量之间没有显著相关关系。以上结果表明, 增温导致的土壤干旱会抑制土壤N₂O通量对增温的响应, 意味着未来评估气候变暖情景下土壤N₂O排放量时需考虑增温引发的土壤干旱等间接效应。     

新疆古尔班通古特沙漠土壤N_2O、CH_4和CO_2通量及其对氮沉降增加的响应

沙漠土壤在全球土壤主要温室气体通量中扮演着重要角色,但是在环境变化条件下的通量估算结果存在很大的不确定性。在新疆古尔班通古特沙漠设定N0、N0.5、N1、N3、N6和N24 6个样方,以0、0.5、1.0、3.0、6.0和24.0 g·m~(–2)·a~(–1) 6个不同模拟氮(N)沉降浓度进行N处理,两年后开始对施N样方进行为期两个生长季的N_2O、CH_4和CO_2通量测定。研究表明生长季对照样方(N0)的N_2O、CH_4和CO_2的平均通量分别为4.8μg·m~(–2)·h~(–1)、–30.5μg·m~(–2)·h~(–1)和46.7 mg·m~(–2)·h~(–1),季节变化显著影响3种气体的通量。N0、N0.5和N1在春季和夏季具有相似的N_2O排放速率,排放速率高于秋季,而N6和N24的N_2O排放主要受N输入时间影响;CH_4的吸收在春季和夏季相对较高,秋季较低;CO_2的排放量在第一年春季和夏季之间变化较小,但高于秋季排放量,第二年CO_2动态与N浓度相关。N增加通常能显著促进N_2O的排放,但受测定季节和年度的影响,且各处理的N_2O排放因子大小无明显规律;CH_4的吸收受N增加影响不显著;CO_2的排放在第一年不受N增加的影响,第二年高浓度N增加对春季和夏季CO_2排放具有限制作用,对秋季影响不显著。结构方程模型的研究表明,对N_2O、CH_4和CO_2的动态变化影响较大的因子分别是施N浓度、土壤温度或土壤含水量和植株密度。整个生长季由N带来的净通量和增温潜力非常小。     

施氮肥对华北平原土壤氨氧化细菌和古菌数量及群落结构的影响

利用荧光定量PCR、末端限制性片段长度多样性(T-RFLP)和基因克隆文库技术,比较了4种施氮水平(不施氮肥,0 kg N/hm~2,CK;施低水平氮肥,75 kg N/hm~2,N1;施中水平氮肥,150 kg N/hm~2,N2;施高水平氮肥,225 kg N/hm~2,N3)下华北平原地区小麦季表层(0—20 cm)土壤总细菌、氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的丰度和群落结构。结果表明,土壤总细菌、AOB和AOA数量分别在每克干土5.74×10~9—7.50×10~9、8.89×10~6—2.66×10~7和3.83×10~8—7.78×10~8之间。不同施氮量土壤AOA数量均高于AOB数量,AOA/AOB值在81.72—14.38之间。增施氮肥显著显著提高AOB数量(P0.05),对总细菌和AOA数量的影响不显著(P0.05)。与CK相比,处理N1、N2和N3中AOB数量分别提高了0.64、1.50和1.99倍。增施氮肥显著改变了AOB和AOA的群落结构,且不同施氮量处理中AOB群落结构差异更大。系统进化分析显示,施氮肥小麦土壤AOB主要为Nitrosospira属类群,分布在Cluster 3的两个分支中;AOA分布在Cluster S的4个分支中。相关性分析显示,AOB数量与全氮和铵态氮含量呈显著正相关关系,与土壤pH和碳氮比呈显著负相关关系(P0.05);AOA数量与硝态氮含量和土壤pH呈显著正相关关系,与铵态氮含量呈显著负相关关系(P0.05)。研究结果表明:增施氮肥可显著改变华北平原地区碱性土壤AOB数量与群落结构,该地区小麦土壤中AOB比AOA对氮肥响应更敏感。     

生物炭与氮肥对旱作春玉米农田CO_2和CH_4排放特征的影响

为了研究生物炭与氮肥对旱作春玉米农田CO_2和CH_4排放通量季节变化、累积排放总量及CO_2+CH_4排放强度的影响,试验设置C_0N_0(不加生物炭,不施氮肥)、C_0N_1(不加生物炭,施氮肥225kg·hm~(-2))和C_1N_1(添加生物炭50t·hm~(-2),施氮肥225kg·hm~(-2))3个处理,采用密闭式静态暗箱-气相色谱法对不同生物炭和氮肥输入旱作春玉米农田CO_2和CH_4排放通量进行连续观测,同时对影响通量变化的0~20cm土层温度和水分因子进行测定。结果表明:(1)试验期内不同处理春玉米农田均表现为CO_2累积通量的源,且CO_2排放通量均呈现一定的峰值变化规律。(2)C_1N_1处理减少了春玉米生长季农田CO_2排放通量和累积排放总量,在试验的2个生长季内农田CO_2平均排放通量和累积排放总量各处理均表现为C_0N_0C_0N_1C_1N_1,且C_1N_1处理降低显著。(3)土壤CO_2排放通量与土壤温度变化呈显著正相关关系,可用指数方程和二次方程较好拟合二者关系,且与10cm土层温度的相关性优于0cm土层温度,但土壤CO_2排放通量与土壤含水量呈负相关关系。(4)试验各处理农田土壤CH_4排放通量在-16.08~-73.96μg·m~(-2)·h~(-1)之间,表现为大气CH_4的净吸收库;C_1N_1处理增加了土壤CH_4排放通量和累积排放总量,但作用效果的显著性受年际环境因子的影响;农田土壤CH_4排放通量与土壤含水量呈显著正相关关系,与土壤温度呈显著负相关关系。研究发现,添加生物炭和施氮减少了旱作农田春玉米生长季CO_2排放通量和累积排放总量,增加了CH_4排放通量和累积排放总量,总体上显著增加了春玉米产量,显著减少农田CO_2+CH_4排放强度。     

施氮对桉树人工林生长季和非生长季土壤温室气体通量的影响

森林在调控温室气体排放方面有重要作用,随着人工林的迅速发展,其温室气体通量和对施肥的响应逐渐引起广泛关注。为了解施氮对桉树人工林生长季和非生长季土壤温室气体通量的影响,在广西东门林场尾巨桉人工林样地设置低(84.2 kg N·hm-2)、中(166.8 kg N·hm-2)、高(333.7 kg N·hm-2)3个施氮水平和不施氮对照,采用静态箱-气相色谱法监测土壤CO2、N2O和CH4通量。结果表明:(1)不同施氮处理的桉树人工林土壤CO2、CH4和N2O年均排放通量分别为214~271 mg CO2·m-2·h-1、-47~-37 kg CH4·m-2·h-1和16~203 kg N2O·m-2·h-1;土壤CO2排放通量在生长季高于非生长季,CH4和N2O通量未表现出明显季节变化。(2)施氮显著增加了土壤CO2和N2O年均排放通量,其促进效应主要集中在生长季(施氮后的4个月,即6—9月),且随时间增加,效应减弱。(3)施氮显著降低了土壤CH4年均吸收通量。因此,在维持桉树人工林生产力的基础上,结合季节变化,合理调控施氮量将有助于减少桉树林土壤温室气体排放。     

增温和隔离降雨对亚热带森林土壤N2O通量的影响

设置对照(CT)、增温5 ℃(W)、隔离50%降雨(P)和增温5 ℃+隔离50%降雨(WP)4种处理,以相关功能基因作为标志物,研究增温和隔离降雨影响亚热带森林生态系统土壤N₂O通量变化的途径.结果表明: 隔离降雨显著降低了土壤铵态氮浓度;增温显著降低了土壤N₂O通量和土壤反硝化势.增温处理(W)和降雨处理(P)的土壤微生物生物量氮(MBN)均显著低于对照(CT),AOA amoA基因丰度与MBN和铵态氮含量之间呈显著负相关,但与土壤硝化势和土壤N₂O通量没有显著相关性.路径分析显示,反硝化势直接显著影响土壤N₂O通量,而微生物生物量磷(MBP)和增温则通过直接影响反硝化势来间接影响土壤N₂O通量.温度可能是影响亚热带森林土壤N₂O通量的主要驱动因素,全球变暖可能会减少亚热带森林土壤的N₂O排放.     

模拟增温对荒漠生物土壤结皮-土壤系统CO_2、CH_4和N_2O通量的影响

目前,有关增温条件下荒漠生物土壤结皮(BSCs)-土壤系统与大气之间主要温室气体(CO2、CH4和N2O)通量变化的研究十分匮乏,以致很难准确地评估荒漠生态系统温室气体通量对气候变暖的响应与反馈的方向和程度。该文选择腾格里沙漠东南缘天然植被区由藻类、藓类以及二者混生的3种类型的BSCs覆盖土壤为研究对象,以开顶式生长室(OTC)为增温方式模拟全球变暖,采用静态箱-气相色谱法探究了2012年7月至2013年6月增温和不增温处理下CO2、CH4和N2O通量的变化特征。结果表明:增温和结皮类型对CO2、CH4和N2O通量没有显著影响。采样日期、结皮类型与采样日期,以及增温与结皮类型和采样日期的互作显著影响CO2和CH4通量,增温和采样日期互作显著影响CH4通量。BSCs-土壤系统的CO2、CH4和N2O年通量及其增温潜能在增温和不增温处理下的差异均不显著。CO2通量与5 cm深度的土壤温度呈显著的指数正相关关系,与10 cm深度的土壤湿度呈线性正相关关系;藓类、混生结皮的CH4通量与5 cm深度的土壤温度和10 cm深度的土壤湿度均呈显著的线性负相关关系;3种结皮类型的N2O通量与5 cm深度的土壤温度均无相关关系,藓类结皮的N2O通量与10 cm深度的土壤湿度呈显著的线性负相关关系。藓类结皮的CO2和CH4在增温和不增温两种处理下的通量差异与5 cm深度的土壤温度差异呈显著的负线性相关,藻类结皮N2O的通量差异与温度差异呈近似正相关关系(p=0.051)。以上结果说明:在全球变暖的背景下,荒漠BSCs-土壤系统主要温室气体通量不会有明显的变化,意味着荒漠生态系统温室气体的排放可能对气候变暖没有明显的反馈。     

增温和隔离降雨对亚热带森林土壤N2O通量的影响

设置对照(CT)、增温5 ℃(W)、隔离50%降雨(P)和增温5 ℃+隔离50%降雨(WP)4种处理,以相关功能基因作为标志物,研究增温和隔离降雨影响亚热带森林生态系统土壤N₂O通量变化的途径.结果表明: 隔离降雨显著降低了土壤铵态氮浓度;增温显著降低了土壤N₂O通量和土壤反硝化势.增温处理(W)和降雨处理(P)的土壤微生物生物量氮(MBN)均显著低于对照(CT),AOA amoA基因丰度与MBN和铵态氮含量之间呈显著负相关,但与土壤硝化势和土壤N₂O通量没有显著相关性.路径分析显示,反硝化势直接显著影响土壤N₂O通量,而微生物生物量磷(MBP)和增温则通过直接影响反硝化势来间接影响土壤N₂O通量.温度可能是影响亚热带森林土壤N₂O通量的主要驱动因素,全球变暖可能会减少亚热带森林土壤的N₂O排放.     

不同水平氮添加对盐渍化草地土壤微生物特征的影响

氮是陆地生态系统生产力的主要限制性因素, 土壤微生物是土壤氮转化的主要驱动因子, 随着大气氮沉降的增加, 盐渍化草地土壤微生物对不同水平氮输入的响应尚不清晰。在山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站不同水平氮添加平台(0、1、2、4、8、16、24和32 g·m^-2·a^-1), 在实验处理的第4年(2020年)测定生长季(5-9月)氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)丰度, 土壤真菌和细菌组成, 以及土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量, 探讨土壤微生物特征对不同氮输入水平的响应机制。研究表明: (1)在2020年生长季的5-9月, 由于土壤温度和水分的差异, 取样日期显著影响氨氧化微生物、细菌和真菌的数量及MBC、MBN含量。(2)氮添加仅显著影响AOB丰度, 对MBC、MBN含量及细菌和真菌丰度的影响均不显著。(3)氮添加对AOB丰度的影响与取样日期有关, 在生长季早期和高峰期(5-8月), 24和32 g·m^-2·a^-1氮添加显著提高AOB丰度, 在生长季后期(9月)氮添加对AOB丰度的影响不显著。(4)土壤阳离子浓度和土壤pH对AOB丰度的变异具有较高的解释度, 分别解释了土壤微生物特征变异的21.8%和17.2%。由于不同水平氮添加并未显著改变土壤阳离子浓度和土壤pH, 土壤MBC、MBN含量, 细菌和真菌的丰度对氮输入的响应不敏感, 仅在高氮处理显著提高了AOB的丰度, 说明高氮添加可能会促进盐渍化草地土壤氮的转化速率。     

葡萄糖添加对室温和冻结过程土壤N_2O排放特征影响

为明确外源葡萄糖添加对典型耕作土壤室温和冻结过程N_2O排放特征,应用控制室温和冰柜模拟土壤培养方法,研究室温和冻结过程葡萄糖添加(0、1.5、2.5 mg·g~(–1))对3种典型地带性耕作土壤(黑土、潮土、黄土)N_2O排放的影响。结果表明,室温条件下1.5和2.5 mg·g~(–1)外源葡萄糖添加黑土N_2O排放通量分别比不添加处理增加604.3%和1198.5%,均达5%显著性差异;外源葡萄糖添加显著抑制潮土N_2O排放;3种葡萄糖水平下黄土N_2O排放通量始终处于极低的水平。随冻结过程的进行,黑土和不添加葡萄糖的潮土N_2O排放通量逐渐降低并维持零排放速率;添加葡萄糖处理的潮土N_2O排放通量始终维持零排放速率的水平;黄土N_2O排放通量始终维持在–25-20μg·(m~2·h)~(–1)范围内,甚至出现负排放。与潮土和黄土相比较,常温和冻结过程中添加葡萄糖的黑土需更关注N_2O的排放。     

缢蛏养殖池塘氨氧化微生物的季节变化特征

为探究缢蛏(Sinonovacula constricta)养殖池塘中氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的季节变化及其环境因子相关性, 试验以amoA基因为分子标记, 利用荧光定量PCR技术对养殖池塘水体及沉积物中的AOA和AOB进行了研究。结果显示, 季节变化对于水体及沉积物中的AOA和AOB的amoA基因丰度有一定的影响, 不同季节的水体及沉积物中AOA含量均比AOB含量高一个数量级。其中水体中AOB在秋季显著高于其余三季(P<0.05); AOA在冬季最低, 且显著低于春秋两季(P<0.05)。沉积物中AOB和AOA均在冬季显著高于其余三季(P<0.05)。环境因子相关性分析结果表明: 水体中AOB丰度与氨氮成显著正相关(P<0.05), 与亚硝氮成显著负相关(P<0.05); AOA丰度与水温成正显著相关(P<0.05), 与硝氮成负显著相关(P<0.05)。沉积物中AOB丰度与溶解氧、硝氮、总氮及亚硝氮成显著正相关(P<0.05), 与水温成显著负相关(P<0.05); AOA丰度与溶解氧、总氮、硝氮成显著性正相关(P<0.05), 与水温成负显著相关(P<0.05)。多元线性回归方程结果显示, 缢蛏养殖池塘的AOA及AOB丰度与硝氮密切相关。研究表明, AOA在缢蛏养殖池塘氨氧化进程中占据主导地位, AOA和AOB丰度受盐度、温度、氮素浓度及溶解氧等环境因子的共同影响。     

UV-B增强下施硅对稻田CH4和N2O排放及其增温潜势的影响

大气平流层臭氧损耗导致的地表紫外辐射增强作为全球变化重要问题之一,受到广泛关注。硅是水稻生长有益元素,但施硅是否影响稻田CH_4和 N_2O排放,迄今相关报道尚不多见。通过大田试验,研究UV-B增强下施硅对水稻生长、稻田甲烷(CH_4)和氧化亚氮( N_2O)排放及其增温潜势的影响。UV-B辐照设2水平,即对照(A,自然光)和增强20%(E);施硅量设2水平,即对照(Si0,0 kg SiO_2/hm2)和施硅(Si1,200 kg SiO_2/hm2)。结果表明,UV-B增强降低了成熟期水稻地上部和地下部生物量,而施硅能缓解UV-B增强对水稻生长的抑制作用,使水稻地上部和地下部生物量增加。UV-B增强可显著提高稻田CH_4和 N_2O排放通量和累积排放量,增加稻田CH_4和 N_2O排放的综合增温潜势。施硅能明显降低稻田CH_4排放,促进 N_2O排放,降低稻田CH_4和 N_2O排放的综合增温潜势。研究表明,施硅显著降低稻田CH_4和 N_2O的全球增温潜势,缓解UV-B增强对稻田CH_4和 N_2O的全球增温潜势的促进作用。     

Effects of warming on soil respiration during the non-growing seasons in a semiarid temperate steppe

尽管许多研究认为增温对陆地生态系统非生长季土壤呼吸的影响非常重要,但是关于这一问题仍缺乏充分的理解。本论文研究了非生长季增温对温带半干旱草原土壤呼吸的影响,并探讨了其影响机制。本实验位于温带半干旱典型草原,包括10对样地,每对样地包括一个对照和模拟增温处理。模拟增温样地自2014年10月开始,采用开顶箱(OTC)进行。2014年10月到2015年4月,2015年10月到2016年4月期间每月测定几次土壤呼吸、土壤温度与土壤湿度;并测定0-20 cm微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)和土壤速效氮。采用重复测量方差和成对t检验方法分析增温、时间及其交互作用对土壤呼吸的影响。采用简单回归确定各指标之间的因果关系。结果表明,对照样地非生长季平均土壤呼吸速率为0.24 µmol m^-2 s^-1,约占当地生长季碳通量的14.4%。模拟增温在两个非生长季使土壤温度和土壤呼吸分别比对照样地提高了1.48°C (P < 0.001)和42.1% (P < 0.01)。2015-2016年非生长季模拟增温降低了0.66%的土壤湿度,降低幅度不显著。模拟增温处理下2015-2016年非生长季MBC和MBN分别显著提高了19.72%和20.99% (P < 0.05)。此外,研究结果还表明,土壤温度、MBC和MBN的变化调控了土壤呼吸对模拟增温的响应。本结果揭示非生长季土壤呼吸变化能影响碳循环的其它组分,并可以有效促进气候变化背景下陆地生态系统碳循环的模型预测。     

博斯腾湖人工和天然芦苇湿地土壤CO2、CH4和N2O排放通量

为研究干旱区淡水湖泊人工、天然芦苇湿地土壤温室气体源汇强度及其影响因素,采用静态箱-气相色谱法,于2015年1月—12月对博斯腾湖人工和天然芦苇湿地土壤CO_2、CH_4和N_2O通量进行全年观测。结果表明,人工芦苇湿地土壤CO_2、CH_4和N_2O排放通量变化范围分别为:10.1—588.4mg m~(-2)h~(-1)、2.9—82.4μg m~(-2)h~(-1)和1.32—29.7μg m~(-2)h~(-1),天然芦苇湿地土壤CO_2、CH_4和N_2O排放通量变化范围分别为10.3—469.6mg m~(-2)h~(-1)、3.1—64.8μg m~(-2)h~(-1)和1.9—14.3μg m~(-2)h~(-1)。人工和天然芦苇湿地夏季土壤CO_2排放通量均明显高于其他季节,而土壤CH_4和N_2O排放通量较大值多集中在春末夏初。全年观测期间,人工芦苇湿地土壤CO_2、CH_4和N_2O排放通量高于天然芦苇湿地(P0.05);温度是影响人工、天然芦苇湿地土壤CO_2和N_2O排放通量的关键因素,近地面温度和5cm土壤温度与CO_2和N_2O排放通量呈现极显著的正相关关系(P0.01)。土壤CH_4排放通量是温度和水分二者共同影响的,由近地表温度、5cm土壤温度和土壤含水量共同拟合的方程可以分别解释人工、天然芦苇湿地土壤CH_4排放通量的71%、74.5%;土壤有机碳、pH、盐分、NH_4~+-N、NO_3~--N也是人工、天然芦苇湿地土壤CO_2、CH_4和N_2O排放通量的影响因素;人工和天然芦苇湿地土壤均是CO_2、CH_4和N_2O的"源"。基于100年尺度,由3种温室气体计算全球增温潜势得出,人工芦苇湿地全球增温潜势大于天然芦苇湿地(15150.18kg/hm~212484.21kg/hm~2)。     

短期增温对紫花针茅草原土壤微生物群落的影响

土壤微生物是生态系统碳循环的重要参与者和调控者。全球变暖可能对土壤微生物群落产生影响, 加速陆地生态系统向大气中释放碳, 进而引起陆地碳循环对气候变暖的正反馈。然而, 目前学术界对土壤微生物群落如何响应气候变暖等问题认识不足, 尤其是缺乏低温干旱条件下土壤微生物对增温响应的实验证据。为此, 该文依托青藏高原紫花针茅(Stipa purpurea)草原建立的增温实验平台, 基于磷脂脂肪酸(PLFA)方法测定了2015和2016年生长季表层(0-10 cm)土壤微生物各类群的生物量, 在此基础上揭示气候变暖对紫花针茅草原土壤微生物群落结构的影响。结果显示, 短期增温处理导致2015和2016年生长季(5-10月)的表层土壤温度均显著提高1.6 ℃, 同时也导致土壤含水量显著下降了3.4%和2.4% (体积分数), 但并没有显著改变土壤化学性质及归一化植被指数。增温处理下, 两年生长季旺期(8月)的微生物生物量碳(MBC)含量分别为749.0和844.3 mg·kg ^-1, 微生物生物量氮(MBN)含量为43.1和102.1 mg·kg ^-1, 微生物生物量碳氮比分别为17.9和8.4, 但实验期间MBC、MBN和微生物生物量碳氮比与对照没有差异。PLFA分析的结果显示细菌在微生物群落中占主导, 而丛枝菌根真菌含量最少, 增温处理并没有改变不同类群的微生物生物量以及群落结构。进一步的分析显示, 土壤温度和含水量是调控土壤微生物群落变异的主要因子, 并且增温导致的微生物生物量碳的变化量分别与土壤温度和含水量的变化量呈显著正相关关系。以上结果表明, 由于受水分的限制, 短期增温对紫花针茅草原土壤微生物群落没有显著影响。     

Effects of short-term experimental warming on soil microbes in a typical alpine steppe

土壤微生物是生态系统碳循环的重要参与者和调控者。全球变暖可能对土壤微生物群落产生影响, 加速陆地生态系统向大气中释放碳, 进而引起陆地碳循环对气候变暖的正反馈。然而, 目前学术界对土壤微生物群落如何响应气候变暖等问题认识不足, 尤其是缺乏低温干旱条件下土壤微生物对增温响应的实验证据。为此, 该文依托青藏高原紫花针茅(Stipa purpurea)草原建立的增温实验平台, 基于磷脂脂肪酸(PLFA)方法测定了2015和2016年生长季表层(0-10 cm)土壤微生物各类群的生物量, 在此基础上揭示气候变暖对紫花针茅草原土壤微生物群落结构的影响。结果显示, 短期增温处理导致2015和2016年生长季(5-10月)的表层土壤温度均显著提高1.6 ℃, 同时也导致土壤含水量显著下降了3.4%和2.4% (体积分数), 但并没有显著改变土壤化学性质及归一化植被指数。增温处理下, 两年生长季旺期(8月)的微生物生物量碳(MBC)含量分别为749.0和844.3 mg·kg ^-1, 微生物生物量氮(MBN)含量为43.1和102.1 mg·kg ^-1, 微生物生物量碳氮比分别为17.9和8.4, 但实验期间MBC、MBN和微生物生物量碳氮比与对照没有差异。PLFA分析的结果显示细菌在微生物群落中占主导, 而丛枝菌根真菌含量最少, 增温处理并没有改变不同类群的微生物生物量以及群落结构。进一步的分析显示, 土壤温度和含水量是调控土壤微生物群落变异的主要因子, 并且增温导致的微生物生物量碳的变化量分别与土壤温度和含水量的变化量呈显著正相关关系。以上结果表明, 由于受水分的限制, 短期增温对紫花针茅草原土壤微生物群落没有显著影响。     

大兴安岭永久冻土区7种沼泽类型土壤温室气体排放特征

气候变暖及永久冻土退化将会增加冻土湿地的温室气体排放,但关于大兴安岭永久冻土区沼泽湿地温室气体通量及主控因子尚不明确。采用静态箱-气相色谱法,同步原位观测大兴安岭永久冻土区7种天然沼泽类型(草丛沼泽-C、灌丛沼泽-G、毛赤杨沼泽-M、白桦沼泽-B、落叶松苔草沼泽-LT、落叶松藓类沼泽-LX、落叶松泥炭藓沼泽-LN)土壤CO_2、CH_4和N_2O通量及土壤温度、水位、化冻深度及土壤碳氮含量、碳氮比、pH值及含水量,揭示永久冻土区沼泽土壤温室气体通量及其主控因子。结果表明:1) 7种沼泽类型土壤CO_2年均通量(125.12—163.33 mg m~(-2) h~(-1))相近;2) CH_4年均通量(-0.007—0.400 mg m~(-2) h~(-1))呈草丛显著高于其他沼泽5.6—65.7倍(P0.01);3) N_2O年均通量(1.52—37.90μg m~(-2) h~(-1))呈阔叶林沼泽显著高于其他类型2.0—23.9倍,针叶林沼泽显著高于草丛、灌丛沼泽2.9—6.2倍(P0.05);4) CO_2主控因子为土壤温度和水位;CH_4主控因子为土壤温度和化冻深度;N_2O受到多种环境因子综合调控,共同可以解释N_2O变化的26%—99%;5)土壤增温潜势(11.05—15.37 t CO_2 hm~(-2) a~(-1))相近,且均以CO_2占绝对优势地位,但草丛以CH_4占次要地位,森林沼泽则以N_2O占次要地位。综合对比国内外现有研究结果发现目前大兴安岭永久冻土区沼泽土壤仍处于CO_2、CH_4和N_2O低排放阶段。     

重庆紫色水稻土中“全程”和“半程”氨氧化微生物的垂直分异

【目的】系统评估全程氨氧化细菌(complete ammonia oxidizing bacteria, Comammox bacteria)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在典型水稻土剖面的垂直分异规律。2015年发现的"全程"氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)可将氨分子一步氧化为硝酸盐,实现硝化作用。而经典的"半程"氨氧化细菌(AOB)或古菌(AOA)将氨分子氧化为亚硝酸盐后,再由系统发育完全不同的硝化细菌将其氧化为硝酸盐。全程氨氧化细菌实现了一步硝化全过程,根本改变了学术界对2类微生物分步硝化的经典认知,但相关研究仍处于初步阶段。【方法】选择重庆北碚地区2017年典型水稻土并采集5、10、20和40 cm不同深度土壤(剖面采样点的上下误差不超过1cm),提取水稻土总DNA后,利用标靶功能基因amoA,通过实时荧光定量PCR技术分析全程氨氧化细菌(Comammox)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在水稻土不同深度的数量变异规律。【结果】半程氨氧化细菌AOB和古菌AOA均随土壤深度增加呈显著下降趋势。然而,全程氨氧化细菌的两大类微生物则表现出相反的规律,Comammox Clade A的丰度随着土壤剖面的加深而显著增加(P0.05),但Clade B并未有类似规律。Clade A在水稻土不同层次的土层中均比Clade B高出1个数量级,在5 cm和40 cm处的最低和最高值分别为3.42×10~7、8.46×10~7 copies/g。AOA与AOB的丰度大致相当,5cm剖面处数量最高分别为1.23×10~7、1.83×10~5copies/g,但其平均丰度远低于全程氨氧化细菌,Comammox与AOA、AOB amoA功能基因拷贝数之比为10–2000。【结论】全程氨氧化细菌(Comammox bacteria)广泛分布于水稻土不同土层中,且数量远高于"半程"氨氧化细菌和古菌,意味着Comammox可能在水稻土硝化作用中起重要作用。     

施用生物炭和秸秆还田对华北农田CO2、N2O排放的影响

以华北农田冬小麦-夏玉米轮作体系连续6a施用生物炭和秸秆还田的土壤为研究对象,于2013年10月—2014年9月,采用静态暗箱-气相色谱法,对CO_2、N_2O通量进行了整个轮作周期的连续观测,探究施用生物炭与秸秆还田对其排放通量的影响。试验共设4个处理:CK(对照)、C1(低量生物炭4.5 t hm~(-2)a~(-1))、C2(高量生物炭9.0 t hm~(-2)a~(-1))和SR(秸秆还田straw return)。结果表明:在整个轮作周期内,各处理CO_2、N_2O通量随时间的变化趋势基本一致。随着生物炭施用量的增加,CO_2排放通量分别增加了0.3%—90.3%(C1)、1.0%—334.2%(C2)和0.4%—156.3%(SR)。其中,C2处理对CO_2累积排放量影响最大,增幅为42.9%。对N_2O而言,C2处理显著降低了N_2O累积排放量,但增加了CO_2和N_2O排放的综合增温潜势,C1和SR处理对N_2O累积排放量及综合增温潜势均没有显著影响。相关分析表明,土壤温度和土壤含水量是影响CO_2通量最主要的因素,两者之间呈极显著的正相关关系;N_2O通量与土壤温度、土壤含水量、NO_3~--N和NH_4~+-N均表现出极显著的正相关关系,而与土壤p H值表现出极显著的负相关关系。由此可见,添加生物炭对于减少氮素的气体损失具有较大的潜力。     

植被恢复对库布齐沙漠非生长季土壤CH4、N2O通量的影响

荒漠土壤温室气体排放是陆地碳氮循环的重要组成部分,目前人工建植促进植被恢复对非生长季荒漠土壤CH_4、N_2O通量的影响尚不明确。本研究采用静态暗箱-气相色谱和时空替代法,分析非生长季库布齐沙漠东部不同植被恢复阶段土壤CH_4、N_2O通量特征及其与环境因子之间的关系,探讨植被恢复对非生长季荒漠土壤温室气体排放的影响。结果表明:非生长季荒漠土壤是CH_4的吸收汇,也是N_2O的排放源。不同植被恢复阶段CH_4平均吸收量和N_2O排放量均表现为:苔藓结皮固定沙地(47.6μg CH_4 m~(-2) h~(-1), 13.5μg N_2O m~(-2) h~(-1))地衣结皮固定沙地(32.2μg CH_4 m~(-2) h~(-1), 9.1μg N_2O m~(-2) h~(-1))藻结皮固定沙地(23.7μg CH_4 m~(-2) h~(-1), 8.7μg N_2O m~(-2) h~(-1))半固定沙地(22.4μg CH_4 m~(-2) h~(-1), 5.0μg N_2O m~(-2) h~(-1))流动沙地(18.7μg CH_4 m~(-2) h~(-1), 3.9μg N_2O m~(-2) h~(-1))。荒漠土壤在不同冻结时期温室气体排放存在较大差异,融冻期CH_4吸收贡献率最大,在结冻期N_2O排放贡献率最大。非生长季荒漠土壤存在明显的水热同期现象,土壤水热因子对N_2O通量的影响较小,仅半固定沙地土壤温度与N_2O通量呈显著正相关;而在藻类、地衣和苔藓结皮固定沙地中,土壤温度和含水量均与CH_4通量呈显著负相关。植被恢复过程中,生物量的积累和土壤理化性质的改善,能够显著影响荒漠土壤CH_4、N_2O通量的变化。因此,人工建植促进植被恢复实现沙漠化逆转可改变荒漠生态系统的温室气体排放格局。