南亚热带森林土壤铁还原耦合氮循环转化及其对氮沉降的响应机制

In recent years, the impact of increasing nitrogen (N) deposition on soil N cycling has attracted much attention. Soil N cycling is tightly coupled with iron transformation processes. With iron-rich subtropical forests soils in southern China, how N deposition would influence the coupling mechanisms of iron reduction and nitrogen transformation has not been well investigated. In this study, we chose the monsoon evergreen broad-leaved forest ecosystem to explore (1) the effects of increased N deposition on transformation of iron, nitrogen，carbon, and microbial community structure; (2) the relationships between dissolved organic matter(DOM), iron reduction, conversion of nitrogen and greenhouse gas emissions using electrochemical method and molecular ecology technology; (3) the interaction of iron reduction coupled nitrogen cycle transformation with microbial communities using molecular ecology and stable isotope labeled 15N technology. This study will provide insights into understanding the environmental behavior of nitrogen and greenhouse gas emissions in subtropical forests soils.

近年来，日益增加的氮沉降对森林土壤的氮（N）循环过程有显著影响。土壤中的铁元素可以通过生物或者非生物方式参与到氮循环过程中，从而影响植物氮素利用、氮素损失以及温室气体N2O的排放等。我国华南地区南亚热带森林土壤富含铁，铁还原耦合氮素循环转化过程对氮沉降的响应行为和机理还不清楚。本项目将以鼎湖山季风常绿阔叶林为研究对象，通过野外N添加实验和室内培养实验，研究不同N添加水平对土壤中铁氮转化、碳形态及微生物群落结构的影响；利用电化学、分子生态学技术，明确N沉降影响下的土壤中可溶性有机质（DOM）与铁还原、氮转化及温室气体排放之间的关系；利用分子生态学、稳定同位素标记15N技术，探明铁还原耦合的氮循环转化途径及参与此过程的关键微生物群落组成及丰度。本课题的研究将为深入理解氮沉降增加背景下，南亚热带森林土壤中N元素的环境行为以及温室气体排放提供科学依据。

氮沉降增加是非常严重的环境问题之一，对土壤的氮循环过程有着显著影响。首先，本研究通过鼎湖山模拟氮沉降实验平台，研究了氮添加对酸性森林土壤微生物多样性和组成的影响，发现了高氮添加降低了土壤微生物多样性并导致了土壤富营养菌相对丰度的增加和贫营养菌相对丰度的降低，另外也发现土壤铵态氮含量是影响土壤微生物组成的重要环境因素，但呈现出季节性差异，干季显著，湿季则不明显。其次，通过长期氮添加（12年）和短期氮添加（1年）氮同位素（15N）示踪实验比较，发现了反硝化作用是产生N2O的重要途径，且长期施氮硝化菌的变化更为显著。另外，通过室内模拟厌氧环境下Fe循环与NO3-还原过程，发现在硝酸盐存在的情况下，二价铁(Fe(II))才能被氧化，同时(Fe(II)的存在也刺激了亚硝酸盐的还原，并且初步探讨了硝酸依赖亚铁氧化过程的微生物机制。通过本项目的研究，目前共发表SCI论文4篇。