有机氮异养硝化过程对土壤N2O排放的贡献

Nitrous oxide (N2O) is one of the key trace gases which play an important role in global climate change. Soils are the key source of global N2O. Thus, it is of important significances to accurately predict the soil N2O emission. However, to date, it is still very difficult to accurately predict the N2O flux from soils, especially unfertilized soils, on the large scale, because the complexity of soil N cycle processes and the pathways of N2O production are difficult to quantify. In this project, the sources of N2O production in forest and grassland soils will be studied using the triplet 15N tracer experiments (labelled 15NH4+ treatment, labelled 15NO3- treatment and labelled both 15NH4+ and 15NO3- treatment, respectively) and the source partitioning method. The contribution of heterotrophic nitrification of nitrogen N pool, autotrophic nitrification of NH4+ and denitrification of NO3- to total soil N2O production will be differentiated. Especially, the contribution of heterotrophic nitrification of organic N pool to N2O emission and its controlling factors will be clarified, which is of important significances to understand soil N2O emission and to accurately predict the N2O flux from soils in the large scale.

氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体。土壤是重要的N2O排放源，但是，迄今为止，由于对土壤N2O产生过程的认识不清楚，有关土壤N2O排放量的估算还存在很大的不确定性。已有研究结果表明，土壤有机氮异养硝化过程可能是重要的N2O产生途径，然而目前尚不清楚不同土地利用方式下，土壤有机氮异养硝化对N2O排放贡献的特点？该过程中N2O的产生比例多大？其主要因素是什么？针对这些科学问题，本项目以森林、草地、农田等不同利用方式的土壤为研究对象，以15N稳定同位素记试验方法为手段，测定土壤有机氮异养硝化过程对土壤N2O排放的贡献，明确其变化特点；采用MCMC数值优化方法测定土壤有机氮异养硝化过程初级转化速率，计算有机氮异养硝化过程中N2O的产生比例，阐明其影响因素。研究结果对于完善土壤N2O排放预测模型，提高大尺度土壤N2O排放量估算的准确性具有重要意义。

已有研究结果表明，土壤有机氮异养硝化过程可能是重要的N2O产生途径，然而目前尚不清楚土壤有机氮异养硝化对N2O排放贡献多大,其主要因素是什么？针对这些科学问题，本项目以森林、草地、农田等不同利用方式的土壤为研究对象，以15N标记方法为主要手段，结合MCMC数值优化模型和分子生物学技术，研究了不同土地利用方式下土壤N2O的主要产生途径及其影响因素，探讨了土壤pH、有机物含量和组成结构、C/N等土壤性质对土壤有机氮异养硝化过程产生N2O的影响和微生物机制，并开展了利用15N标记技术探究原位土壤N2O产生途径的研究工作。研究结果表明，土壤有机氮异养硝化过程对亚热带酸性森林土壤N2O排放有重要的贡献，贡献率为13.0%~75.0%（平均值44.7%），这是导致亚热带林地土壤N2O的平均产生速率显著高于温带林地的重要原因。土地利用方式会显著影响红壤N2O的产生途径，农田土壤N2O主要来源于自养硝化作用（42.8%）和反硝化作用（54.5%），异养硝化的贡献很低。但在林地土壤中，44.6%的N2O来源于异养硝化作用。异养硝化作用对N2O排放的贡献率与土壤pH 显著负相关（p<0.05），而与土壤C:N 和有机碳含量均显著正相关（p<0.01）。因子控制试验结果表明，低pH 条件下异养硝化作用对N2O排放贡献率较高的主要原因是酸性条件激发了异养硝化速率。真菌是驱动异养硝化过程的主要微生物，Phialocephala，Chloridium 和Tararomyces可能是执行土壤异养硝化作用的主要真菌属。高C:N比并不是异养硝化作用发生的必要条件，土壤有机碳组成结构对该过程有明显的影响，难分解有机碳组分比例越大越有利于异养硝化作用发生。研究结果对于完善土壤N2O排放预测模型，提高大尺度土壤N2O排放量估算的准确性具有重要意义。本项目已发表SCI论文14篇，其中第一标注11篇；项目成员中1人入选中组部“万人计划”青年拔尖人才、1人入选江苏省中青年领军人才培养计划，培养博士研究生4名。组织召开了“15N示踪与质谱分析在土壤氮素循环研究中的应用”研讨会，向同行介绍了本项目的研究成果。