极端干旱影响亚热带常绿阔叶林土壤N2O通量的微生物机制

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模型预测表明,随着全球气候变暖进程的加剧,极端干旱事件发生的频率和强度将显著增加。作为森林生态系统重要的生态功能之一,氧化亚氮(N2O)排放主要来源于土壤微生物驱动的硝化过程和反硝化过程,然而目前尚不明确干旱影响森林土壤N2O通量的微生物机制。本论文中,我们依托浙江天童亚热带常绿阔叶林的极端干旱控制试验样地,通过静态箱法对土壤原位N2O通量进行长期野外观测,揭示亚热带常绿阔叶林土壤N2O排放对极端干旱的响应特征;通过季节性土壤样品采集,测定了土壤理化性质(土壤含水量、pH、总碳和总氮含量、NH4+-N和NO3--N含量),运用乙炔抑制法区分硝化和反硝化过程的相对贡献,阐明干旱影响土壤原位N2O通量的微生物过程;通过定量PCR分析与N2O排放相关的硝化和反硝化功能基因(amoA-AOA,amoA-AOB,narG和nosZ)多度变化,从而明确极端干旱情景下亚热带常绿阔叶林土壤N2O排放的微生物机制。主要研究结果如下:(1)土壤原位N2O通量观测的结果表明,极端干旱显著降低了土壤原位N2O通量和年累积排放通量。(2)基于乙炔抑制法的室内培养实验发现,天童亚热带森林土壤N2O排放主要来源于反硝化过程,其贡献率为48.4%-77.7%。极端干旱显著降低了反硝化过程N2O产生潜势,而对硝化过程N2O产生潜势及反硝化过程N2O还原潜势均没有显著影响,表明极端干旱主要通过降低反硝化过程的N2O产生,从而减少总的N2O排放。(3)定量PCR的结果表明,极端干旱显著降低了反硝化功能基因narG基因多度,但对硝化功能基因amoA-AOB和反硝化功能基因nosZ基因多度没有显著影响。结构方程模型分析表明,硝化过程N2O产生潜势主要受到NH4+-N含量的影响;而反硝化过程N2O产生潜势主要受到土壤含水量和pH的影响。综上所述,在未来极端干旱事件频发的背景下,天童亚热带常绿阔叶林的土壤N2O排放将减少,并且这主要是由于干旱降低了反硝化过程N2O产生。与硝化和反硝化功能基因多度相比,土壤环境因子对天童亚热带森林土壤N2O排放具有更重要的作用。我们的研究结果为预测未来极端干旱情景下亚热带常绿阔叶林土壤N2O排放提供了理论依据。
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