雪被覆盖变化对兴安落叶松人工林土壤氮循环影响的微生物学机制

Climate change intensifies the global hydrological cycle and consequently shifts the spatial-temporal patterns of snow-cover, snowmelt and freeze-thaw cycles. Soil microbial community and their ability in nitrogen mineralization may be limited by low temperature due to decrease in snow depth. Snow-cover change possibly results in the legacy effect on the availability of soil nitrogen in growing season, and consequently affects the growth of trees. However, we have little knowledge about which microbial communities are responsible for the decomposition of organic matter and nitrogen release under low temperature condition and how snow-cover induced microbial community change feedback to soil nitrogen cycle. The temperate forest in northeastern China has a long-term snow-cover duration and is generally limited by nitrogen. Therefore, we proposed to conduct a field snow-cover manipulation experiment with snow addition and removal in a Larix gmelinii plantation. This proposal focuses on the effects of snow addition and removal on soil nitrogen cycling and the potential microbial regulation mechanisms. We not only explore the responses of microbial community and nitrogen cycling during winter and spring freeze-thaw cycles, but also quantify the potential legacy effect in growing season. This potential study may help to understand the soil fertility and productivity of Chinese temperate forest under future snow-cover change scenario.

全球气候变化引起的水热格局变化会改变中、高纬度地区的雪被覆盖格局。失去雪被保护后的土壤微生物及其对有机氮的矿化会受到低温限制，雪被覆盖变化引起的氮可利用性的变化可能还会持续到生长季，进而影响树木生长。然而，目前尚不清楚哪些微生物群落负责低温环境下的有机质分解和氮素释放？雪被覆盖变化诱导的土壤微生物群落的变化又如何影响土壤氮循环？尤其对具有长达5个月积雪覆盖期且普遍受氮限制的东北温带森林的研究尤为不足。本研究以兴安落叶松人工林为研究对象，采用野外原位控制试验方法，人工营造出不同深度的季节性雪被(增雪处理、对照和除雪处理)，从土壤微生物群落角度研究雪被覆盖变化对兴安落叶松人工林土壤氮循环的影响机制。此外，不仅关注雪被覆盖变化对土壤微生物群落和氮循环影响的瞬时效应，而且量化这种影响在生长季的延续效应，项目研究结果可为评估未来雪被覆盖变化情景下东北温带森林的土壤肥力和生产力提供科学依据。

全球气候变化引起的水热格局变化会改变中、高纬度地区的雪被覆盖格局。从土壤微生物群落角度研究雪被覆盖变化对东北温带森林土壤氮循环的影响机制可为评估未来冬季气候变化情景下森林土壤肥力和生产力提供科学依据。本项目在帽儿山生态站建设了长期雪被控制试验平台，测定了对照、增雪和除雪处理下土壤微生物群落结构和氮循环相关过程的季节动态。研究发现冬季土壤真菌细菌比较其他季节高，雪被增加会显著增加真菌细菌比。土壤真菌和细菌α多样性存在显著的季节差异，冬季真菌和细菌多样性显著高于夏季。雪被覆盖增加显著提高了不同季节的真菌丰富度，并且在冬季增加最为显著。然而，雪被覆盖变化对细菌丰富度影响微弱。雪被覆盖变化改变真菌和细菌群落结构，并采用物种差异性表达分析揭示了应对雪被变化敏感的关键物种。雪被覆盖变化对冬季氮循环功能基因丰度没有显著影响，但却改变了冻融循环期氮循环功能基因丰度。其中，除雪处理除降低编码有机氮代谢、异化硝酸盐还原和反硝化过程的基因丰度。土壤氨态氮、硝态氮、微生物氮和几丁质酶均呈现出显著的季节变化，其中，微生物氮在夏季达到峰值，而氨态氮和硝态氮在冬季雪被覆盖前达到峰值。雪被覆盖变化对氨态氮、硝态氮、微生物氮和几丁质酶影响微弱，增雪仅增加了夏季几丁质酶活性。总之，尽管短期雪被覆盖变化显著改变微生物多样性和群落结构，但对氮循环功能基因以及氮循环过程影响微弱，未来需要连续监测进而揭示雪被覆盖变化对地下生态学过程影响的长期效应。