氮沉降对纳木错高寒草原甲烷氧化的影响及微生物机理

Alpine steppe on the Tibetan Plateau is an important biological sink for atmospheric methane. Methanotrophs are responsible for the process of methane uptake (oxidation) in the soil and sensitive to nitrogen deposition. Nitrogen deposition on the Tibetan Plateau has been increasing in the last few decades. The future nitrogen deposition might significantly change the function of methane sink in alpine steppe on the Tibetan Plateau. Therefore, in order to understand the effect of nitrogen deposition on the function of methane sink, it is important to know the composition and function of methanotrophs. However, microbiological mechanisms of the response of methane uptake (oxidation) to the increasing nitrogen deposition in alpine steppe remain unclear. Therefore, we will select Namco steppe soils as our research subject. A field experiment with additions of multi-level concentrations of NH4NO3 to simulate increasing nitrogen deposition was performed to determine the effect of nitrogen deposition on methane uptake (oxidation), the switch of nitrogen deposition from stimulation of methane oxidation to inhibition, and the changes in composition, abundance and function of methanotrophic community with increasing nitrogen deposition through a series of microbial molecular ecological and biogeochemical analyses. This project aims to reveal microbiological mechanisms for understanding the effect of nitrogen deposition on methane (uptake) oxidation. Consequently, all findings of the experiments will also help to provide the theoretical basis for more accurate evaluation and prediction of the function of methane sink on the background of increasing nitrogen deposition in alpine steppe on the Tibetan Plateau.

青藏高寒草原是重要的大气甲烷生物汇。甲烷氧化菌作为土壤甲烷吸收（氧化）的驱动者，对氮沉降响应敏感。随着全球变化，青藏高原大气氮沉降已十分明显，并呈逐年增加的趋势。未来的氮沉降可能显著改变青藏高原高寒草地甲烷汇功能。认识甲烷氧化菌的群落组成和功能是理解氮沉降影响土壤甲烷汇功能的基础。但目前氮沉降对高寒草原甲烷氧化过程的影响以及内在的微生物学机理却知之甚少。因此本项目拟选取青藏高原纳木错高寒草原为研究对象，通过在野外添加NH4NO3的方式模拟氮沉降，采用微生物分子生态学和生物地球化学等方法，查明氮沉降量对甲烷吸收（氧化）的影响，并确定甲烷吸收功能转变的氮沉降量的临界浓度，阐明氮沉降量对甲烷氧化菌群落组成、数量及功能的影响规律，揭示不同水平氮沉降量影响高寒草原甲烷吸收的微生物学机理，为预测未来大气氮沉降增加情景下青藏高原高寒草原甲烷汇功能的变化提供理论依据。

青藏高寒草原是重要的大气甲烷生物汇。甲烷氧化菌作为土壤甲烷吸收（氧化）的驱动者，对氮沉降响应敏感。随着全球变化，青藏高原大气氮沉降已十分明显，并呈逐年增加的趋势。未来的氮沉降可能显著改变青藏高原高寒草地甲烷汇功能。认识甲烷氧化菌的群落组成和功能是理解氮沉降影响土壤甲烷汇功能的基础。但目前氮沉降对高寒草原甲烷氧化过程的影响以及内在的微生物学机理却知之甚少。因此本项目拟选取青藏高原纳木错高寒草原为研究对象，通过在野外添加NH4NO3的方式模拟氮沉降，采用微生物分子生态学和生物地球化学等方法，查明氮沉降量对土壤理化性质、微生物群落结构、甲烷氧化菌群落结构以及甲烷氧化功能基因丰度的影响规律。主要结果如下：（1）高寒草原分布有丰富的甲烷氧化菌，其丰度范围为10^2~10^8 pmoA基因拷贝数，在高寒草原氮含量范围，全氮（TN）和可溶性氮（DON）含量越高，甲烷氧化菌丰度也越高。（2）氮沉降量对土壤理化性质有明显影响，氮素浓度并不改变土壤的总氮和总碳含量，但水溶性有机碳（WSOC）随氮素浓度增加而降低，而水溶性有机氮（WSON）和无机硝态氮（NO3--N）随氮素浓度的增加而升高。（3）氮沉降量能促进细菌生物量，但高浓度的氮素（160 kg N ha−1 yr−1）能显著降低细菌生物量。土壤总微生物群落组成并未受到氮沉降量的影响，但是随着氮素的年累积效应，氮沉降使得微生物群落结构更加聚集。（4）氮沉降量（高于40 kg N ha−1 yr−1）显著影响微生物功能基因丰度，在较高氮素浓度时（> 80 kg N ha−1 yr−1），氮沉降明显促进甲烷氧化基因（pmoA和mmoX基因）的丰度，起主要作用的甲烷氧化菌为I型的甲基微菌属（Methylomicrobium）和甲基热菌属（Methylothermus）以及II型的甲基帽菌属（Methylocapsa）和甲基细胞菌属（Methylocella）。综上所述，本项目的研究结果揭示不同水平氮沉降量影响高寒草原甲烷吸收的微生物学机理，为预测未来大气氮沉降增加情景下青藏高原高寒草原甲烷汇功能的变化提供理论依据。