不同碳源对土壤异养硝化作用的影响及其微生物机制
批准号:
42103076
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张祎
依托单位:
学科分类:
生物地球化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张祎
中文摘要
异养硝化过程是土壤氮素转化的一个重要环节,但是迄今为止,对异养硝化作用影响因素及发生机制的认识仍不清楚。已有研究表明,土壤有机碳是影响异养硝化作用的重要因素。然而,分解能力不同的碳源对异养硝化作用及其氧化亚氮(N2O)产生具有怎样的影响?影响机制是什么?尚未得到一致的结论。针对这一科学问题,本项目以中国中温带、暖温带、亚热带林地和农田土壤为研究对象,以15N和13C稳定同位素标记实验方法为手段,测定不同碳源对土壤异养硝化作用及其N2O产生速率的影响;采用定量PCR、Miseq高通量测序技术和微生物纯培养、回接土壤等技术,探究不同碳源对异养硝化作用的影响机制。研究结果对于阐明土壤异养硝化作用的发生规律和作用机制,完善土壤氮素循环的知识体系具有重要意义。
英文摘要
Heterotrophic nitrification is an important process of soil nitrogen transformation. However, its controlling factors and the microbial mechanism is still unclear. The previous studies revealed soil organic carbon (SOC) played an important role on soil heterotrophic nitrification. However,there is still not consensus about the effect of SOC with different decomposition properties on soil heterotrophic nitrification and its N2O emission. And the research on the mechanism behind the effect of SOC is still lacking. In this project, forest and cropland soil samples from the middle temperate, warm temperate and subtropical zone in China will be collected. The effect of different carbon sources on soil heterotrophic nitrification and its N2O production will be studied using the 15N and 13C-15N tracer experiments. The Real-Time PCR and Miseq high throughput sequencing technologies will be performed to investigate the responsible microorganisms for soil heterotrophic nitrification. And the technology of microbial pure culture and inoculation will be conducted to testify the effect of different carbon sources on the responsible microorganisms. The project is aiming to reveal the regularity and mechanism of soil heterotrophic nitrification, which will provide a scientific basis for completing the knowledge of soil nitrogen cycle.
异养硝化过程是土壤氮素转化的一个重要环节,但是迄今为止,对异养硝化作用影响因素及发生机制的认识仍不清楚。已有研究表明,土壤有机碳(SOC)是影响异养硝化作用的重要因素。然而,分解能力不同的碳源对异养硝化作用具有怎样的影响?影响机制是什么?尚未得到一致的结论。针对这一科学问题,本项目首先厘清了异养硝化作用在土壤氮转化过程中的作用及其控制因素。指出土壤异养硝化作用广泛发生在林地、农田和草地生态系统中,对土壤总NO3-产生的贡献率可分别达到24%、32%和43%。然而,常用的土壤SOC含量和碳:氮(C:N)比并不能准确表征土壤异养硝化作用的发生。其次,明确了15N标记法较硝化抑制剂法是更适合定量碳源输入下土壤初级异养硝化速率的方法。随后,以中国亚热带林地土壤为研究对象,以15N和13C稳定同位素标记方法为手段,测定难分解和易分解碳源,以及不同易分解碳源对土壤异养硝化作用的影响;采用定量PCR、Miseq高通量测序技术,探究了不同碳源对异养硝化作用的影响机制。研究结果表明易分解碳源的短期添加即对土壤异养硝化具有显著刺激作用,但随着易分解碳含量的下降,外源碳的刺激作用也随之减弱。但从长期来看,难分解碳源由于可持续提供可利用碳,将通过改变微生物群落,如提高异养硝化真菌(如曲霉属、青霉属和木霉属真菌)的相对丰度,来影响土壤异养硝化作用的发生。另外,土壤可溶性有机碳(DOC)含量和可用性有机碳氮的比值(DOC:DON)较SOC和C:N比对土壤异养硝化作用的发生更具指示作用。最后,基于森林生态系统中较为稳定的碳氮元素化学计量比,探究了利用土壤氮素初级转化速率和机器学习方法模拟和估算土壤可利用态氮产生的可行性。为进一步利用土壤异养硝化速率并明确其在土壤氮循环中的作用提供了理论依据。总之,研究结果聚焦土壤异养硝化作用的发生规律和作用机制,对于完善土壤氮素循环的知识体系具有重要意义。
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