藻类结皮土壤中无机氮转化特征及影响因素研究

Gurbantunggut Desert is the largest fixed and semi fixed desert in China and algal crusts in the desert play an important role on nutrient accumulation and desert fixation. Nitrogen is the the main limiting factor for primary productivity in ecosystem, but the studies about nitrogen fixation genes and related function genes in algal crusts have not been reported. The content of inorganic nitrogen won’t increase with the evolution of biological crusts. So, the sand dunes activation in Gurbantunggut Desert since Tang Dynasty also showed that desert ecosystem will respond to climate change. The mategenomic data of algal crusts soil showed that the nitrogen fixation gene and high expression denitrification genes have been detected, but the ammoxidation gene have not been detected. We inferred that the inorganic nitrogen of algae crusts in the desert is lost under current climatic conditions and has its unique transfer characteristics.. In this project, the microbial community structure and the polymorphism and abundance of nitrogen cycle genes were researched, and the stable isotope technique were carried out, all for studying the nitrogen transfer characteristics in desert. The project can reveal the quantitative relationship between the nitrogen cycling gene polymorphism and abundance and the different forms nitrogen content, and aslo can explore the molecular mechanism of microbial functional genes in the inorganic nitrogen cycle in algal crusts. Thus the research findings would reveal the response and adaptation mechanism of sensitive ecosystems to climate change in arid and semi-arid areas of northern China.

古尔班通古特沙漠是我国最大的固定、半固定沙漠，其藻类结皮对营养物质积累及沙漠固定起着重要的作用。而氮素又是生态系统初级生产力最重要的限制因素，但关于古尔班通古特沙漠藻类结皮中的无机氮素固定及循环功能基因相关研究未见报道。无机氮素并不随着生物结皮发育而不断增加，唐代以来古尔班通古特沙漠沙丘活化现象也说明，沙漠生态系统会随着气候的变化而做出响应。结皮宏基因组数据亦显示，藻类结皮中有固氮基因的存在，反硝化基因的高表达，但未检测到氨氧化基因存在。推断当前气候条件下，该沙漠藻类结皮中的氮素是损失的，有其独特的迁移特征。.项目开展藻类结皮微生物群落结构、氮循环基因多态性及丰度，以及采用稳定性同位素技术研究沙漠氮素迁移特征，揭示藻类结皮氮循环基因多态性及丰度与不同形态氮素含量的定量关系，探究藻类生物结皮的无机氮素循环的微生物功能基因的分子机制，从而分析中国北方干旱半干旱区敏感生态系统对气候变化的响应与适

项目针对古尔班通古特沙漠藻类结皮、不同类型结皮和沙垅不同位置及深度土壤进行理化性质研究，探明沙漠土壤不同形态氮素迁移特征。采用扩增子和宏基因组测序技术研究藻类结皮土壤中微生物群落结构与相关功能基因空间分异特征，研究表明：（1）藻类结皮土壤理化性质分析结果显示，沙漠不同区域藻类结皮土壤总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）含量有显著变化，NH4+-N和TN呈显著负相关，与有机碳（SOC）呈显著正相关。NH4+-N对土壤中SOC和TN的积累有显著影响，SOC、TN和NH4+-N对C/N有显著影响，主要影响因子是SOC。（2）沙漠裸地、藻类结皮和藓类结皮土壤理化因子分析表明，藓类结皮中TN含量显著高于藻类结皮和裸地土壤，形成不同生态位。不同深度土壤研究显示，两类结皮土壤表层土壤TN含量均显著高于2-30 cm土壤，表明生物结皮能有效富集氮素，为营养元素交换的主要场所。（3）沙陇不同位置和深度土壤理化指标分析表明，迎风坡丘间低地、迎风坡坡中、垅顶30-60 cm土壤层有机质含量显著高于其余各层。而背风坡坡中和丘间低地表层土壤中SOC、TN和NO3--N显著高于其余各层土壤。结果显示沙漠地形对土壤中碳氮营养物质分布有显著影响，推论受到风和降水共同作用影响。（4）沙漠不同区域藻类结皮土壤中微生物群落多样性研究结果显示，细菌群落在东部和中西部之间产生分化，但真菌、古菌和蓝藻并未产生分化。（5）通过宏基因组测序研究藻类结皮土壤中氮素循环特征，藻类结皮土壤中反硝化作用和氨化作用强烈，藻类结皮中气态氮损失主要以N2O气体为主。藻类结皮土壤中存在固氮基因，有固氮微生物具有固氮能力，但丰度相对较低。此外，硝化作用基因丰度极低，未注释到NxrAB基因，说明硝化作用有其内在机制对NH4+进行转化，推测全程硝化菌在硝化过程中起到关键作用。研究结果总结了沙漠土壤中不同形态氮素分布总体特征，并揭示了藻类结皮中微生物群落结构及氮素循环基因特征，为进一步探讨沙漠藻类结皮对气候变化的响应机制提供重要的理论参考价值。