青藏高原冻土区土壤硝化反硝化过程及相关功能微生物研究

Nitrification and denitrification are crucial for nitrogen nutrient availability and nitrous oxide production across permafrost affected regions. However, our understanding of nitrification and denitrification and their microbial regulation mechanism are relatively poor. Using 15N atoms and acetylene-inhibition methods, we measured nitrification and denitrification rates in the active and permafrost layers to explore their difference among different vegetation types and distribution patterns along environmental gradients. Meanwhile, we studied the distribution of nitrifier and denitrifier communities using quantitative PCR and high-throughput Ιllumina sequencing. Then, we quantified the relative contribution of environmental variables, and the community size, composition and diversity of nitrifiers and denitrifiers to nitrification and denitrification rates, and analyzed the differences of microbial regulation mechanism between the active layer and permafrost layer. This project could enhance our knowledge about the geographical distribution and driving factors of the communities of nitrifiers and denitrifiers, and the pattern and microbial regulation mechanism of nitrification and denitrification, and provide important theoretical basis for Earth System Model to predict the permafrost nitrogen cycling dynamics under warming scenarios.

硝化作用和反硝化作用是决定冻土区土壤氮素有效性和氧化亚氮排放的关键过程。然而，目前学术界对于冻土区土壤硝化、反硝化过程及其微生物学机制的认识还相对薄弱。为此，本项目以青藏高原冻土分布区为研究对象，基于大尺度样带调查，结合15N标记法和乙炔抑制法测定活动层和冻土层土壤硝化、反硝化过程，揭示两种过程在不同草地类型以及不同环境梯度上的变化特征；基于实时荧光定量PCR技术和高通量测序方法研究土壤硝化、反硝化功能微生物的分布特征；量化硝化、反硝化功能微生物群落大小、组成和多样性以及环境因素对氮循环过程的相对贡献，解析硝化、反硝化过程的微生物学途径及其在活动层和冻土层之间的差异。本项目的实施有望揭示冻土区硝化反硝化过程的格局及其微生物学机理，阐明冻土区硝化反硝化微生物的地理分布及其驱动因素，为地球系统模型准确预测气候变暖背景下冻土氮循环的变化提供数据支持。

硝化作用和反硝化作用是决定冻土区土壤氮素有效性的关键过程。然而，目前学术界对于冻土区土壤硝化、反硝化过程及其相关微生物的认识还相对薄弱。为此，本项目以青藏高原高寒生态系统为研究对象，基于野外样带调查土壤样品，采用室内培养和乙炔抑制法等测定土壤硝化、反硝化过程速率；基于实时荧光定量PCR、高通量测序、基因芯片等技术与方法研究土壤微生物的分布特征与影响因素。取得以下成果：(1)揭示了硝化反硝化速率和氮转化功能微生物丰度的大尺度格局与驱动因素。高寒草甸反硝化速率和氮转化功能基因丰度高于高寒草原。硝化反硝化速率和功能基因丰度主要受到土壤有机碳、总氮，植物生物量、物种丰度和叶片氮浓度等的影响。功能基因丰度是解释硝化反硝化速率的重要因子；(2)阐明了土壤微生物群落对模拟增温的响应。模拟冻土融化11天后，土壤细菌和真菌多样性降低，群落组成和结构均发生显著改变。碳降解微生物功能基因丰度和α多样性增加，群落功能结构改变。氮转化功能基因丰度（amoA，nirK/S和nosZ）显著增加，群落结构改变。研究揭示了微生物群落对冻土融化的响应机制；(3)解析了土壤微生物群落的分布及其对土地利用变化的响应。土地利用方式改变后影响了土壤真菌、细菌和原生生物的群落结构和网络复杂性，进而影响了土壤多功能性。本项目深化了我们对冻土区土壤硝化反硝化过程和相关微生物群落的认识，并有望为地球系统模型准确预测气候变暖背景下冻土氮循环的变化提供数据支持。