北方森林土壤甲烷吸收对多形态、低剂量氮输入的响应机制

相对于非氮限制的热带和亚热带森林，土壤有效氮匮乏的北方森林土壤甲烷（CH4）吸收对低水平大气氮沉降的响应机制尚不清楚。本项目以大兴安岭北方森林为研究对象，设置高频率、多形态、低剂量的增氮控制试验，采用野外监测、实验室培养、稳定性同位素示踪和分子生物学等方法，研究北方森林土壤CH4物理扩散和净吸收过程对施氮类型、剂量的短期与长期响应，量化深层土壤CH4累积和消耗对表层土壤CH4吸收的贡献，揭示北方森林土壤CH4吸收对增氮响应的物理学与生物化学机制。同时，研究北方森林土壤甲烷氧化菌群落活性与结构对施氮类型、剂量的短期与长期响应，阐明土壤CH4吸收与甲烷氧化菌群落组成的内在联系，揭示北方森林土壤CH4吸收对增氮响应的微生物学机制。研究结果有助于全面理解森林土壤CH4吸收机制，补充和完善陆地生态系统碳素不平衡理论，并可为全球变化情景下北方森林生态系统碳、氮管理提供理论依据。

相对于非氮限制的热带和亚热带森林，土壤有效氮匮乏的北方森林土壤甲烷（CH4）吸收对低水平大气氮沉降的响应机制尚不清楚。本项目以大兴安岭北方森林为研究对象，设置高频率、多形态、低剂量的增氮控制试验，采用野外监测、实验室培养、稳定性同位素示踪和分子生物学等方法，研究施氮类型、剂量对北方森林土壤CH4吸收过程以及甲烷氧化菌群落的短期与长期影响，揭示北方森林土壤CH4 吸收对增氮响应的生物化学与微生物学机制。研究结果表明：连续3年施氮显著增加凋落物层和矿质层土壤NH4+-N含量，NO3--N累积微弱，土壤酸化明显。北方森林土壤CH4通量呈单谷变化，低剂量施氮显著促进了土壤CH4吸收，而中、高剂量氮输入影响正好相反，导致北方森林土壤CH4吸收转变的大气氮沉降临界水平在20 kgN ha-1 yr-1左右。北方森林土壤CH4通量主要受土壤水分控制，其次为土壤溶解性有机碳、矿质氮含量和土壤pH值。就整个土壤剖面而言，铵态氮肥倾向于增加土壤CH4浓度，而硝态氮肥倾向于降低土壤CH4浓度，土壤剖面CH4氧化速率与地表CH4净交换通量对增氮的响应格局一致。施氮3年显著改变了北方森林土壤微生物的碳源利用格局和功能多样性，低氮促进了土壤微生物的碳源利用活性，而中氮和高氮处理效应相反，并且铵态氮肥的促进作用较硝态氮肥更强；施氮倾向于增加土壤活体微生物群落数量（总PLFA），改变其组成与结构（G+/G-, Fungi/Bacteria）。13C标记的CH4培养实验显示，施氮NO3--N促进了土壤CH4的氧化，而施加NH4+-N抑制了贫氮森林土壤CH4的氧化。此外，甲烷浓度和施氮显著刺激了I型甲烷氧化菌的内禀增长速率，相反抑制了II型甲烷氧化菌的增长速率，并且铵态氮肥效应更强。另外，不同甲烷氧化菌群落对施氮的忍耐力不同，施氮促进或不影响I型甲烷氧化菌活性，显著抑制II型甲烷氧化菌群落，对甲烷孢囊菌属（Methylocystis）抑制效应最明显。上述研究结果的生态学意义或暗示：未来大气氮沉降增加一定程度上会促进北方森林土壤甲烷的氧化，从大气圈中移除更多人为源CH4，导致更多的碳固定在北方森林土壤中；土壤CH4氧化对增氮的响应格局可以由甲烷氧化菌群落的变化合理地解释。