【摘要】：干旱、半干旱地區(qū)在地球陸地表面廣泛分布,由于這些地區(qū)自然條件嚴(yán)酷,植被生產(chǎn)力低下,一直被認(rèn)為是向大氣排放二氧化碳(CO_2)的源。而近年來(lái)全球范圍的研究已證實(shí),干旱生態(tài)系統(tǒng)的土壤能夠固定大氣CO_2,這為探尋碳失匯(missingsink)問(wèn)題提供了重要的線索。然而,目前的物理和化學(xué)過(guò)程并不能完全解釋該現(xiàn)象。本研究在已有研究基礎(chǔ)上,提出土壤固定大氣C02的微生物途徑假說(shuō),認(rèn)為土壤的某些微生物,能夠?qū)⒋髿釩O_2轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳。為驗(yàn)證該假設(shè),本研究以毛烏素沙地為研究區(qū),利用高通量測(cè)序、穩(wěn)定碳同位素示蹤、含碳礦物生成實(shí)驗(yàn)、X射線衍射分析、掃描電鏡分析等技術(shù)手段,研究了沙地土壤中具有固碳功能的微生物類(lèi)群,以及土壤微生物將大氣CO_2轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的具體途徑。主要研究結(jié)果及結(jié)論如下:(1)在毛烏素沙地土壤中檢測(cè)到了存在自養(yǎng)固碳基因的微生物,其中編碼還原檸檬酸循環(huán)的基因相對(duì)豐度最高。這些自養(yǎng)微生物隸屬于放線菌門(mén)(Actinobacteria)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)等。通過(guò)穩(wěn)定碳同位素示蹤試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)沙地土壤自養(yǎng)微生物可將大氣C02轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳。該途徑固定的大氣C02占土壤吸收大氣C02的3.85%。該自養(yǎng)固碳過(guò)程是沙地土壤吸收大氣C02的重要生物轉(zhuǎn)化機(jī)制。(2)毛烏素沙地土壤中不僅存在自養(yǎng)固碳微生物,也存在異養(yǎng)固碳途徑的微生物,且自養(yǎng)固碳微生物的數(shù)量要遠(yuǎn)多于異養(yǎng)固碳微生物。固碳微生物中只有很小一部分利用還原戊糖磷酸循環(huán)(主要為光合途徑)固碳,絕大部分通過(guò)非光合途徑固碳。這些固碳微生物能夠?qū)02轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳,且其固定C02的能力受固碳微生物中采用特定自養(yǎng)途徑和異養(yǎng)C02固定途徑的微生物組成的影響。(3)通過(guò)分離純化土壤中的微生物,得到的6種細(xì)菌(節(jié)細(xì)菌Arthrobactersp.、紅球菌Rhoadococcussp.等)以作為成核位點(diǎn)和提高溶液pH等方式誘導(dǎo)無(wú)機(jī)碳(碳酸鈣,主要形態(tài)為方解石和球霰石)形成。通過(guò)~(13)C02示蹤,證實(shí)了大氣C02參與了細(xì)菌形成含碳礦物的過(guò)程。(4)在~(13)CO_2環(huán)境中的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),~(13)C在微生物的作用下被吸收進(jìn)入了土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù),且其轉(zhuǎn)化速率與土壤微生物群落組成及相關(guān)代謝過(guò)程相關(guān)。同時(shí),在控制實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)現(xiàn)微生物群落能夠誘導(dǎo)形成無(wú)機(jī)碳(方解石、含碳硅鋁酸鹽)。通過(guò)該過(guò)程初步發(fā)現(xiàn)沙地土壤微生物能將大氣CO_2固存在土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)中。以上研究表明,大氣CO_2可經(jīng)固碳微生物同化為有機(jī)碳。沙地土壤微生物能夠?qū)⒋髿釩O_2封存在土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)中。本研究為深入認(rèn)識(shí)沙地土壤吸收大氣CO_2的現(xiàn)象提供了微生物途徑機(jī)制的解釋。沙地土壤固定大氣CO_2的微生物途徑很可能是沙地土壤碳庫(kù)形成和維持的重要機(jī)制,而如何在長(zhǎng)時(shí)間尺度上確定微生物生成有機(jī)碳和形成無(wú)機(jī)碳的速率以及去向,以及將微生物形成含碳礦物的特性作為一種技術(shù)手段在防沙治沙中的應(yīng)用,仍需深入研究。
【圖文】：

２研究區(qū)概況逡逑本研宄在毛烏素沙地西南緣的寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究逡逑站站區(qū)內(nèi)開(kāi)展（圖２．１）。研宄地地理坐標(biāo)為北緯３７°４２＇，東經(jīng)１０７°１３＇。站區(qū)內(nèi)平均海逡逑拔為１５０９邋ｍ。該研究區(qū)為典型溫帶大陸性氣候。該地區(qū)多年平均降雨量為２７５邋ｍｍ。逡逑受季風(fēng)的影響，研究區(qū)內(nèi)全年降水分布極度不均勻，月降水量差異較大，主要降雨事逡逑件發(fā)生在８？９月份。研宄區(qū)因?yàn)槲鞅杯h(huán)流的原因，晝夜溫差大，光照充足，熱量適中，逡逑年平均溫度為７．６°Ｃ，無(wú)霜期達(dá)１２８天。主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，年平均風(fēng)速為２．８ｍ邋Ｗ。逡逑主要災(zāi)害天氣有干旱、沙暴、霜凍、大風(fēng)等。逡逑研宄區(qū)的主要土壤類(lèi)型為風(fēng)沙土。土壤結(jié)構(gòu)性較差，但具有較高的鈣含量。研究逡逑區(qū)因?yàn)檫^(guò)度放牧的緣故，由干草原逐漸演變?yōu)榱魃车亍＃玻埃埃澳暌詠?lái)，在站區(qū)內(nèi)實(shí)施了逡逑不同的植被恢復(fù)方式，包括撒播、人工扦插和自然封育等。目前主要建群物種為油蒿逡逑（ｄ＂ｅｗｋ／＿ａｏｒａ＾ｗ７ｃａ）、沙柳賴(lài)草等。此外，逡逑在固沙灌木林地中

４．１．１樣地選擇與樣品采集逡逑２０１６年８月，在研宄站區(qū)內(nèi)選擇圍封１０年以上且具有代表性植物種的區(qū)域，在逡逑其中選擇３個(gè)１００邋ｍ邋ｘ邋１00邋ｍ的樣地（圖４．１邋）。此處選取的樣地１、２、３分別為油蒿逡逑（Ａ邋ｏｎｆｏｓ／ｃａ）、沙柳（５１．邋ｐｓａｍｍｏｐＭａ）、賴(lài)草（Ｚ．邋ｓｅｃａ／ｉｎｗｓ）為優(yōu)勢(shì)植物種的樣地，逡逑樣地蓋度約為４０％、７０％、８５％。在每個(gè)樣地內(nèi)，隨機(jī)設(shè)置３個(gè)２０ｍ邋ｘ邋２０邋ｍ的樣方，逡逑各樣方間距為２０邋ｍ。在樣方內(nèi)采集土壤樣品。采集樣品前，去除土壤表層植物枯落逡逑物。在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇１２個(gè)樣點(diǎn)，使用滅菌土鉆（直徑２．５邋ｃｍ）采集０？２０邋ｃｍ逡逑深度范圍內(nèi)的土壤，并將１２鉆土混勻以代表該樣方樣本，以避免土壤異質(zhì)性對(duì)數(shù)據(jù)逡逑可靠性的影響。將混合后的土壤過(guò)２邋ｍｍ篩以去除植物枯落物和根系，然后分為４份。逡逑第一份土壤樣品立即存儲(chǔ)在－７８°Ｃ條件下，，用于宏基因組測(cè)序。第二份用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)逡逑的ｎＣ０２標(biāo)記培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。第三份保存在４°Ｃ冰箱內(nèi)
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：S154.3

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本文編號(hào)：2624621