氮沉降對熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)微生物過程的影響研究進展
發(fā)布時間：2022-01-27 09:21
近年來,高速的城市化和工業(yè)化建設(shè)導致全球大氣氮沉降量逐年遞增,其中熱帶亞熱帶地區(qū)氮沉降量顯著高于全球平均水平,而大部分熱帶亞熱帶森林土壤趨近氮飽和狀態(tài),氮沉降增加將持續(xù)向土壤輸入外源活性氮,極易導致土壤氮過剩,進而破環(huán)整個森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的平衡。我國熱帶亞熱帶地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展快速,氮沉降增加導致的土壤養(yǎng)分失衡和林地退化等生態(tài)問題日益凸顯,森林土壤氮循環(huán)對大氣氮沉降的響應及適應機制已引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注。研究表明氮循環(huán)各環(huán)節(jié)均由特定的功能微生物驅(qū)動完成,明確氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)功能微生物及其介導的關(guān)鍵過程的影響,對評價未來氮沉降增加背景下全球森林土壤氮循環(huán)的響應及驅(qū)動機制有重要作用,可為促進我國熱帶亞熱帶地區(qū)森林修復、生態(tài)環(huán)境的改善與提升提供科學支撐。鑒于此,本文綜述了熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)主要過程（如固氮、硝化、反硝化、厭氧氨氧化等）及其功能微生物群落豐度、活性、組成等對氮沉降增加的響應,同時分析了這些功能微生物的群落特征與主要環(huán)境因子（如NH+4、NO-3、有機碳、pH、含水量等...
【文章來源】：生態(tài)學報. 2020,40(23)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
氮循環(huán)關(guān)鍵過程及相關(guān)功能基因
綜上所述,國內(nèi)外在氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤氮轉(zhuǎn)化及其功能微生物的影響研究中已取得了一定進展。熱帶亞熱帶森林環(huán)境濕熱,土壤微生物活性較高,氮沉降增加輸入大量活性氮,而同時也改變了土壤pH值和可利用性碳、磷含量,對氮轉(zhuǎn)化各環(huán)節(jié)及相關(guān)功能微生物產(chǎn)生了不一致的影響(圖2)�？傮w上,氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤共生固氮和非共生固氮均有一定的抑制作用,但兩類固氮微生物群落對氮沉降增加的響應異同還不清晰;土壤的酸性特質(zhì)導致NH3濃度較低,因而與NH3親和度較高的氨氧化古菌(AOA)是驅(qū)動氨氧化作用的關(guān)鍵微生物類群,氮沉降增加可通過改變土壤AOA、AOB群落豐度和組成而影響硝化速率;反硝化作用對氮沉降增加的響應與土壤氮含量背景值顯著相關(guān),熱帶亞熱帶森林土壤大多處于氮飽和狀態(tài),氮沉降會促進反硝化作用以排除土壤中過剩的氮素,但同時增加了溫室氣體N2O的排放;較高的微生物活性不利于有機碳的累積,氮沉降增加可能導致土壤碳氮比降低,難以滿足反硝化微生物的碳需求量,進而抑制反硝化功能微生物的活性及反硝化作用。迄今為止,氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)的影響仍存在很大的不確定性,主要是以往的研究多為短時間內(nèi)土壤氮循環(huán)的響應結(jié)果,且重點關(guān)注硝化和反硝化過程,缺乏對其他氮循環(huán)過程的綜合研究(表1)。與氮循環(huán)相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵環(huán)境因子也存在分歧,主要是現(xiàn)有的研究多針對單一的環(huán)境因子,多個環(huán)境因子的共同作用對氮循環(huán)關(guān)鍵過程的影響值得深入探索。此外,功能微生物對氮沉降的響應研究十分有限,已有的報道多關(guān)注微生物群落豐度的變化,缺乏從群落活性、組成和關(guān)鍵種等方面綜合地分析功能微生物對氮沉降的響應,及其與氮循環(huán)變化的相關(guān)性(表1),因此氮沉降背景下,功能微生物對氮循環(huán)的調(diào)控作用仍不明確。針對目前研究的不足,今后的研究中需要注重以下幾個方面:(1)加強長期模擬氮沉降對氮循環(huán)關(guān)鍵過程的影響研究,同時加強氮沉降對單步硝化(comammox)、厭氧氨氧化(anammox)、異化硝酸鹽還原成銨(DNRA)等氮轉(zhuǎn)化過程的影響研究,為準確評價氮循環(huán)對氮沉降增加的響應提供更全面的理論依據(jù);(2)加強氮沉降背景下,土壤碳、氮、磷化學計量關(guān)系與氮循環(huán)關(guān)鍵過程的相關(guān)性研究,進一步探索影響氮循環(huán)的主要環(huán)境因子;(3)注重分析功能微生物群落活性、組成和關(guān)鍵類群等特征對氮沉降增加的綜合響應,開展功能微生物群落特征與氮轉(zhuǎn)化過程的相關(guān)研究,深入探究氮沉降影響熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)的微生物學機制。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]熱泉微生物驅(qū)動的氮循環(huán)研究進展及展望[J]. 張艷敏,吳耿,蔣宏忱. 微生物學報. 2018(04)
[2]硝化作用研究的新發(fā)現(xiàn):單步硝化作用與全程氨氧化微生物[J]. 董興水,王智慧,黃學茹,蔣先軍. 應用生態(tài)學報. 2017(01)
[3]異養(yǎng)硝化機理的研究進展[J]. 何霞,呂劍,何義亮,趙彬,李春杰. 微生物學報. 2006(05)
本文編號：3612208
【文章來源】：生態(tài)學報. 2020,40(23)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
氮循環(huán)關(guān)鍵過程及相關(guān)功能基因
綜上所述,國內(nèi)外在氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤氮轉(zhuǎn)化及其功能微生物的影響研究中已取得了一定進展。熱帶亞熱帶森林環(huán)境濕熱,土壤微生物活性較高,氮沉降增加輸入大量活性氮,而同時也改變了土壤pH值和可利用性碳、磷含量,對氮轉(zhuǎn)化各環(huán)節(jié)及相關(guān)功能微生物產(chǎn)生了不一致的影響(圖2)�？傮w上,氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤共生固氮和非共生固氮均有一定的抑制作用,但兩類固氮微生物群落對氮沉降增加的響應異同還不清晰;土壤的酸性特質(zhì)導致NH3濃度較低,因而與NH3親和度較高的氨氧化古菌(AOA)是驅(qū)動氨氧化作用的關(guān)鍵微生物類群,氮沉降增加可通過改變土壤AOA、AOB群落豐度和組成而影響硝化速率;反硝化作用對氮沉降增加的響應與土壤氮含量背景值顯著相關(guān),熱帶亞熱帶森林土壤大多處于氮飽和狀態(tài),氮沉降會促進反硝化作用以排除土壤中過剩的氮素,但同時增加了溫室氣體N2O的排放;較高的微生物活性不利于有機碳的累積,氮沉降增加可能導致土壤碳氮比降低,難以滿足反硝化微生物的碳需求量,進而抑制反硝化功能微生物的活性及反硝化作用。迄今為止,氮沉降增加對熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)的影響仍存在很大的不確定性,主要是以往的研究多為短時間內(nèi)土壤氮循環(huán)的響應結(jié)果,且重點關(guān)注硝化和反硝化過程,缺乏對其他氮循環(huán)過程的綜合研究(表1)。與氮循環(huán)相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵環(huán)境因子也存在分歧,主要是現(xiàn)有的研究多針對單一的環(huán)境因子,多個環(huán)境因子的共同作用對氮循環(huán)關(guān)鍵過程的影響值得深入探索。此外,功能微生物對氮沉降的響應研究十分有限,已有的報道多關(guān)注微生物群落豐度的變化,缺乏從群落活性、組成和關(guān)鍵種等方面綜合地分析功能微生物對氮沉降的響應,及其與氮循環(huán)變化的相關(guān)性(表1),因此氮沉降背景下,功能微生物對氮循環(huán)的調(diào)控作用仍不明確。針對目前研究的不足,今后的研究中需要注重以下幾個方面:(1)加強長期模擬氮沉降對氮循環(huán)關(guān)鍵過程的影響研究,同時加強氮沉降對單步硝化(comammox)、厭氧氨氧化(anammox)、異化硝酸鹽還原成銨(DNRA)等氮轉(zhuǎn)化過程的影響研究,為準確評價氮循環(huán)對氮沉降增加的響應提供更全面的理論依據(jù);(2)加強氮沉降背景下,土壤碳、氮、磷化學計量關(guān)系與氮循環(huán)關(guān)鍵過程的相關(guān)性研究,進一步探索影響氮循環(huán)的主要環(huán)境因子;(3)注重分析功能微生物群落活性、組成和關(guān)鍵類群等特征對氮沉降增加的綜合響應,開展功能微生物群落特征與氮轉(zhuǎn)化過程的相關(guān)研究,深入探究氮沉降影響熱帶亞熱帶森林土壤氮循環(huán)的微生物學機制。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]熱泉微生物驅(qū)動的氮循環(huán)研究進展及展望[J]. 張艷敏,吳耿,蔣宏忱. 微生物學報. 2018(04)
[2]硝化作用研究的新發(fā)現(xiàn):單步硝化作用與全程氨氧化微生物[J]. 董興水,王智慧,黃學茹,蔣先軍. 應用生態(tài)學報. 2017(01)
[3]異養(yǎng)硝化機理的研究進展[J]. 何霞,呂劍,何義亮,趙彬,李春杰. 微生物學報. 2006(05)
本文編號：3612208
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