过量施肥对设施菜田土壤菌群结构及N2O产生的影响

【背景】N_2O是一种很强的温室气体,其温室效应强度大约是CO_2的265倍。土壤氮肥施加量是影响N_2O排放的重要因素,而厌氧条件下微生物反硝化则是N_2O产生的重要途径。【目的】研究过量施肥条件下蔬菜大棚土壤菌群结构变化及其对N_2O气体排放的影响。【方法】利用自动化培养与实时气体检测系统(Robot)监测土壤厌氧培养过程中N_2O和N_2排放通量,比较过量施肥和减氮施肥模式下土壤N_2O排放模式的差异。通过Illumina二代测序平台对这2种不同施肥处理的土壤微生物群落进行高通量测序,研究不同施肥量对土壤菌群组成的影响。【结果】过量施肥土壤中硝酸盐的含量大约是减氮施肥土壤的2倍,通过添加硝酸盐使2种土壤的硝酸盐含量均为60 mg/kg或为200 mg/kg时,过量施肥土壤在厌氧培养前期N_2O气体的产生量及产生速度都明显高于减氮施肥土壤。另外,过量施肥导致土壤菌群结构发生显著改变,并且降低了土壤微生物的多样性。相对于减氮施肥,过量施肥方式富集了Rhodanobacter属的微生物。PICRUSt预测结果显示,传统施肥没有显著改变反硝化功能基因相对丰度。【结论】长期过量氮肥施用显著增加了土壤N_2O的排放,可能原因是施肥改变了包括氮转化相关微生物在内的土壤菌群组成,从而影响了土壤N_2O气体的形成与还原过程。     

真菌反硝化过程及其驱动的N2O产生机制研究进展

真菌反硝化过程的发现打破了反硝化过程只发生在原核生物中的传统认识,是对全球微生物氮循环过程的重要补充。真菌参与的反硝化过程由于缺乏N_2O还原酶,其终产物为具有强辐射效应的温室气体N_2O。真菌在环境中分布广泛,生物量巨大,故真菌反硝化作用对全球N_2O释放通量的贡献是不容忽视的。近年来许多研究表明,真菌反硝化过程是自然环境中N_2O产生的重要途径。本文对反硝化真菌的发现、多样性及分布、产生N_2O的机制和活性测定方法等几个方面进行综述,并对未来的研究提出展望。     

外源氮对沼泽湿地CH4和N2O通量的影响

三江平原沼泽湿地受到大气沉降、地表径流、农业排水等外源氮素的输入,对湿地生态系统CH4和N2O通量有重要影响。采用野外原位施肥试验模拟外源氮输入,设0,60,120,240kgN·hm^-24种试验处理,探讨外源氮对沼泽湿地CH4和N2O通量的影响。结果表明,外源氮促进了CH4和N2O排放。与对照处理比较,各施氮水平CH4平均排放通量分别增加了181％,254％和155％,N2O排放通量分别增加了21％,100％和533％。外源氮输入对CH4排放的季节变化形式影响不大,而N2O的季节变化形式随着氮输入表现出波动变化的趋势。不同施氮水平对CH4排放的促进作用与植物生长阶段和产CH4的微生物过程密切相关,N2O排放通量随氮输入量呈指数增加（R^2=0．97,P〈0．01）。外源氮通过影响湿地微生物过程来进一步影响CH4和N2O的排放。     

氮素类型和剂量对寒温带针叶林土壤N2O排放的影响

大气氮沉降输入会增加森林生态系统氮素有效性,进而改变土壤N_2O产生与排放,然而有关不同氮素离子(氧化态NO_3~--N与还原态NH_4~+-N)沉降对土壤N_2O排放的影响知之甚少。以大兴安岭寒温带针叶林为研究对象,构建了3种类型(NH_4Cl、KNO_3、NH_4NO_3)和4个施氮水平(0、10、20、40 kg N hm~(-2)a~(-1))的增氮控制试验,利用流动化学分析仪和静态箱-气相色谱法4次/月测定凋落物层和矿质层土壤无机氮含量、土壤-大气界面N_2O净交换通量以及相关环境因子,分析施氮类型和剂量对土壤氮素有效性、土壤N_2O通量的影响探讨氮素富集条件下土壤N_2O通量的环境驱动机制。结果表明:施氮类型和剂量均显著影响土壤无机氮含量,土壤NH_4~+-N的积累效应显著高于NO_3~--N。施氮一致增加寒温带针叶林土壤N_2O排放,NH_4NO_3促进效应最为明显,增幅为442%-677%,高于全球平均水平(134%)。土壤N_2O通量与土壤温度、凋落物层NH_4~+-N含量正相关,且随着施氮水平增加而增加。结果表明大气氮沉降短期内不会导致寒温带针叶林土壤NO_3~--N大量流失,但会显著促进土壤N_2O的排放。此外,外源性NH_4~+和NO_3~-输入对土壤N_2O排放的促进作用具有协同效应,在未来森林生态系统氮循环和氮平衡研究中应该区分对待。     

微生物脱氮过程中氧化亚氮的释放机理及减释措施

微生物脱氮是去除废水中含氮污染物质的重要方法,微生物的种类及其生存环境不同会导致其释放N_2O的途径及机理具有差异性。本文系统地综述了脱氮过程产生N_2O微生物的种类、特点及其释放N_2O的多重途径,综合分析了参与N_2O形成的相关酶类和影响N_2O释放的关键因素,同时,提出了减缓生物脱氮过程释放N_2O的相关措施,对未来脱氮工艺的优化与N_2O释放的控制提供新思路。     

滨海湿地生态系统微生物驱动的氮循环研究进展

滨海湿地生态系统介于陆地生态系统和海洋生态系统之间,其类型多种多样,环境差异极大,微生物种类丰富。近年来,随着人为氮源的大量输入,造成滨海湿地生态系统富营养化污染问题日趋严重。本文主要总结了滨海湿地生态系统微生物驱动的固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化、NO_3~-还原成铵等主要氮循环过程,并综述了通过功能基因(如nifH、amoA、hzo、nirS、nirK、nrfA)检测微生物群落多样性及其环境影响因素的相关研究,旨在更好理解微生物驱动氮循环过程以去除氮,以期为减轻富营养化和危害性藻类爆发提供科学依据。     

湖泊微生物硝化过程研究进展

湖泊中微生物介导的硝化作用在生境内部氮周转和温室气体N_2O释放方面扮演着关键的角色。因此,研究湖泊微生物硝化过程及速率有助于我们整体评估湖泊生境内部的氮循环状态,全面认识湖泊响应区域乃至全球气候变化的规律。本文综述了湖泊生境中硝化过程及其驱动微生物和影响因素,包括氨氧化过程、亚硝酸盐氧化过程和完全氨氧化过程,同时聚焦前沿,归纳了氨氧化古菌、氨氧化细菌和完全氨氧化菌产生N_2O的机制和相对贡献。最后对湖泊硝化过程研究现状和未来发展方向提出总结和展望。     

河流拦截背景下水库氧化亚氮(N_2O)排放的研究进展

大规模筑坝拦截是当前世界河流普遍面临的共同趋势,河流筑坝导致水体温室气体排放的环境效应近年来在全球范围内引起广泛关注,其中河流拦截背景下的水库中氧化亚氮(N_2O)的产生与释放是理解河流-水库体系氮的生物地球化学循环的重要内容,也是评价水库温室气体排放水平的重要依据。然而,当前对水库N_2O产生与排放的研究存在着不足,对其产生机理、释放水平及控制因素的认识依然缺乏系统性。本文归纳总结了国内外有关水库氮循环过程和N_2O排放的研究成果,分析了水库N_2O排放研究趋势及尚未解决的关键问题,以期为准确评估河流筑坝背景下水库N_2O排放提供借鉴。     

海洋N2O的排放及其关键微生物过程作用机制研究进展

氧化亚氮(N_2O)是一种重要的温室效应气体,同时也是造成平流层臭氧损耗的主要化合物。海洋是大气中N_2O的重要排放源,海洋中的N_2O产生和释放主要由微生物的代谢过程介导。本文对海洋N_2O的释放通量、海水N_2O的分布特征、环境影响因素以及海洋N_2O产生的微生物调控机制等几个方面的最新研究进展进行综述,并结合低氧与N_2O产生的关系以及近岸海域低氧区的扩大等科学问题,对河口近岸生态系统N_2O的释放通量以及其关键微生物过程进行展望。     

滨海湿地生态系统土壤微生物及其影响因素研究综述

土壤微生物是滨海湿地生态系统中不可或缺的关键组分,在土壤发育、物质循环和污染物净化等诸多土壤生态过程中发挥着重要作用,对滨海湿地生态系统的维持与健康具有重大影响。系统梳理了滨海湿地土壤微生物群落结构特征和多样性,综述了土壤理化性质、植被状况、水文因素、生物入侵、全球变化、湿地开垦、石油污染等因素对滨海湿地土壤微生物的影响。在此基础上,对今后的研究重点提出了4个方面的展望:(1)加强全球变化多因子交互作用下滨海湿地土壤微生物的响应机制;(2)强化滨海湿地土壤微生物与环境因子的互作机理;(3)深化滨海湿地水动力条件对土壤微生物的影响机制;(4)开展土壤微生物与滨海湿地生态系统物质循环综合研究。研究以期为滨海湿地生态系统的保护和修复提供参考。     

红树林沉积物中微生物驱动硫循环研究进展

红树林滨海湿地是在周期性咸水、淡水作用下形成的特殊生态系统,其沉积物中有机质含量丰富,微生物驱动的营养物质循环活跃。由于红树林沉积物中硫酸盐含量高、硫化物种类多,因此红树林是研究硫元素生物地球化学循环过程和机制的理想系统。本文综述了红树林生态系统中主要的硫元素循环过程,重点总结了硫氧化和硫酸盐还原过程及其功能微生物,分析了影响硫氧化和硫酸盐还原的主要环境因素,并对红树林沉积物中微生物驱动硫循环的重点研究方向进行了展望。鉴于微生物驱动的硫循环过程耦合碳、氮和金属元素循环,本文可为深入探究微生物驱动的生物地球化学元素循环耦合机制提供参考。     

三江平原生长季沼泽湿地CH4、N2O排放及其影响因素

 2003年6～9月采用静态箱_气相色谱法,对三江平原生长季不同淹水条件下沼泽湿地CH₄、N₂O的排放进行了同步对比研究,并探讨了影响气体排放的主要影响因素。结果表明, 生长季沼泽湿地CH₄和N₂O排放具有明显的时空变化特征。长期淹水的毛果苔草（Carex lasiocarpa）和漂筏苔草(Carex pseudocuraica)植物带CH₄的平均排放强度分别为259.2和273.6 mg•m^-2•d^-1,高于季节性淹水的小叶章(Deyeuxia angustifolia)植物带的排放强度(38.16 mg•m^-2•d^-1)（p<0.00 0 1）;而生长季N₂O的平均排放强度分别为0.969、0.932 和0.983 mg•m^-2•d^-1, 植物带间无显著差异（p=0.967）。相关分析表明,气温和5 cm深地温对沼泽湿地CH₄生长季排放通量的影响较大,而水位则是影响长期淹水沼泽N₂O排放通量的主要因素;不同类型湿地间CH₄平均排放强度的差异主要受水位的控制,而强烈的还原环境可能是导致不同类型湿地具有近似的N₂O排放强度的原因。     

Responses of terrestrial nitrogen pools and dynamics to different patterns of freeze‐thaw cycle: A meta‐analysis

Altered freeze‐thaw cycle (FTC) patterns due to global climate change may affect nitrogen (N) cycling in terrestrial ecosystems. However, the general responses of soil N pools and fluxes to different FTC patterns are still poorly understood. Here, we compiled data of 1519 observations from 63 studies and conducted a meta‐analysis of the responses of 17 variables involved in terrestrial N pools and fluxes to FTC. Results showed that under FTC treatment, soil NH₄⁺, NO₃^?, NO₃^? leaching, and N₂O emission significantly increased by 18.5%, 18.3%, 66.9%, and 144.9%, respectively; and soil total N (TN) and microbial biomass N (MBN) significantly decreased by 26.2% and 4.7%, respectively; while net N mineralization or nitrification rates did not change. Temperate and cropland ecosystems with relatively high soil nutrient contents were more responsive to FTC than alpine and arctic tundra ecosystems with rapid microbial acclimation. Therefore, altered FTC patterns (such as increased duration of FTC, temperature of freeze, amplitude of freeze, and frequency of FTC) due to global climate warming would enhance the release of inorganic N and the losses of N via leaching and N₂O emissions. Results of this meta‐analysis help better understand the responses of N cycling to FTC and the relationships between FTC patterns and N pools and N fluxes.     

Regional application of PnET-N-DNDC for estimating the N2O source strength of tropical rainforests in the Wet Tropics of Australia

In contrast to the significant importance of tropical rainforest ecosystems as one of the major sources within the global atmospheric N₂O budget (2.2–3.7 Tg N yr^?1), regional estimates of their N₂O source strength are still limited and highly uncertain. To contribute toward more reliable estimates of the N₂O source strength of tropical rainforest ecosystems on a regional scale, we modified a process‐oriented biogeochemical model, PnET‐N‐DNDC, and parameterized it to simulate C and N turnover and associated N₂O emissions in and from tropical rainforest ecosystems. Model modifications included: (1) new parameterizations associated with plant physiology and soil hydrology and the addition of algorithms relating daily leaf litterfall to water stress as well as to daily rainfall to account for the effects of heavy rainfall damage; (2) the development of a denitrifier activity index that depends on soil moisture conditions and influences N turnover by denitrification; and (3) the addition of a biological N fixation algorithm. Daily simulated N₂O emissions based on site data were in good agreement (model efficiencies up to 0.83) with field observations in the Wet Tropics of Australia and Costa Rica. The model was even able to reproduce the highly dynamic pattern of N₂O emissions with short‐term increases during the wet season. Sensitivity analyses demonstrated that the PnET‐N‐DNDC model was sensitive to changes in soil properties such as pH, clay content, soil organic carbon and climatic factors such as rainfall and temperature. By linking the PnET‐N‐DNDC model to a geographic information systems database, tropical rainforests in a 9000 km² area of the Wet Tropics of Australia are estimated to emit 962 t N₂O‐N yr^?1 (2.4 kg N₂O‐N ha^?1 yr^?1) between July 1997 and June 1998.     

小兴安岭典型苔草和灌木沼泽N2O排放及影响因子

为了研究小兴安岭林区典型苔草和灌木沼泽N2O排放通量的季节动态、年际动态及其与环境因子的关系,并估算排放总量,2007和2008年在植物生长季采用静态箱-气相色谱法,对小兴安岭林区典型修氏苔草（Carex schmidtii）沼泽和油桦-修氏苔草（Betula ovalifolia-Carex schmidtii）灌木沼泽N2O排放进行了监测。结果表明,苔草和灌木沼泽2007年生长季N2O排放总量分别为0.14和0.29 kg/hm2;2008年分别为0.68和-0.10 kg/hm2。苔草和灌木沼泽N2O排放通量除灌木沼泽2008年变化规律性不明显外,均具有比较显著的季节变化,最大排放出现在夏季或夏、秋季节,其中2007年N2O排放平均通量为0.0037和0.0082 mg?m-2?h-1;2008年为0.016和-0.0025 mg?m-2?h-1。分析表明,苔草沼泽N2O排放年际差异不显著,灌木沼泽N2O排放年际差异显著;不同类型沼泽间N2O排放差异不显著;仅苔草沼泽2007年N2O排放通量与水位具有显著的负相关性（r=-0.52,P < 0.05,n=15）。     

Meta‐analysis of global livestock urine‐derived nitrous oxide emissions from agricultural soils

Nitrous oxide (N₂O) is an air pollutant of major environmental concern, with agriculture representing 60% of anthropogenic global N₂O emissions. Much of the N₂O emissions from livestock production systems result from transformation of N deposited to soil within animal excreta. There exists a substantial body of literature on urine patch N₂O dynamics, we aimed to identify key controlling factors influencing N₂O emissions and to aid understanding of knowledge gaps to improve GHG reporting and prioritize future research. We conducted an extensive literature review and random effect meta‐analysis (using REML) of results to identify key relationships between multiple potential independent factors and global N₂O emissions factors (EFs) from urine patches. Mean air temperature, soil pH and ruminant animal species (sheep or cow) were significant factors influencing the EFs reviewed. However, several factors that are known to influence N₂O emissions, such as animal diet and urine composition, could not be considered due to the lack of reported data. The review highlighted a widespread tendency for inadequate metadata and uncertainty reporting in the published studies, as well as the limited geographical extent of investigations, which are more often conducted in temperate regions thus far. Therefore, here we give recommendations for factors that are likely to affect the EFs and should be included in all future studies, these include the following: soil pH and texture; experimental set‐up; direct measurement of soil moisture and temperature during the study period; amount and composition of urine applied; animal type and diet; N₂O emissions with a measure of uncertainty; data from a control with zero‐N application and meteorological data.     

互花米草入侵对土壤生态系统的影响

互花米草是全球海岸滩涂湿地生态系统最成功的入侵植物之一,对中国沿海湿地土壤生态系统也产生了重大影响.本文主要从入侵地土壤生态系统的结构组分(土壤微生物和土壤动物)与物质循环(土壤碳循环、氮循环、磷循环和重金属元素)两大方面,综述了近年来国内外互花米草入侵对沿海滩涂与河口地区土壤生态系统的影响.此外,本文还指出了未来互花米草的研究方向,包括加强互花米草对入侵地土壤微生物的影响的研究,整合互花米草对地上、地下资源竞争和生态过程影响的研究,以及互花米草在全球变化大背景下入侵动态预测.     

湿地氮素传输过程研究进展

综述了湿地氮素传输过程的研究进展。湿地氮素传输过程包括物理过程、化学过程和生物过程 ,与土壤、植物的发生、发育紧密联系在一起 ,并形成了空气 -水 -土 -生命系统中物质循环和能量流动的复杂网络。湿地硝态氮的淋失直接威胁着湿地地下水水质安全 ,N2 O源汇转变受土壤和水体等环境因子的制约 ,氨挥发则与水体 p H值密切相关排放。湿地氮素的化学转化过程是矿质养分供给和 N2 O产生的主要机制 ,受环境因子和人类活动干扰的影响 ;动力学模型可用于描述氮素的化学转化过程。湿地植物的吸收和累积以及微生物的分解过程是湿地氮素循环的重要环节。最后分析了当前国内外研究中存在的不足 ,并对未来研究的重点领域进行了展望     

黄河口湿地有机碳来源及其对碳埋藏提升策略的启示

滨海湿地是地球上具有多种独特功能的生态系统,是地球上重要的碳库之一,其在全球碳循环中的作用在近年来越来越受到人们的重视。总结了用C/N、稳定碳同位素和生物标志物等方法追踪黄河口湿地有机碳来源的研究成果,并据此探讨了黄河口湿地的固碳提升策略。黄河口湿地是我国典型的滨海湿地,碳来源复杂,但各种示踪方法均表明有机碳的来源中陆源输入较海源输入优势明显,而且陆源输入以地表径流和植被为主,但海源输入从内陆向近海逐渐增强,碳的来源有明显的时空变化并且受到人类活动的强烈干扰。从有机质来源看,提升黄河口湿地的碳埋藏能力应该从合理调配河流淡水资源、保护植被、加快植物群落演替等方面入手。目前有机碳来源的研究还存在覆盖区域有限、碳源区分粗略、影响因子研究较少等问题,缺乏系统性,多限于观测,对机制的理解十分薄弱,因此难以对碳埋藏能力的提升提供定量化的指导。今后的研究要从以下几个方面加强:1)不同区域和不同环境条件之间的比较研究;2)探寻更具特异性的生物指标、优化数据模型,使来源区分更细致;3)不同来源有机质在沉积物中埋藏效率的对比研究;4)构建湿地碳埋藏能力评估体系,综合考虑各方面因素研发和集成能够最大限度提高滨海湿地碳埋藏能力的技术。