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埃德蒙顿生态公园三峡水库消落区土壤氮循环切

2019-07-10 16:53

古菌群落在红树林底泥生态系统碳氮循环中发挥着重要的作用。了解红树林底泥生态系统古菌群落结构,以及它们与红树植被和环境因子之间的关系,将有助于认识和理解红树林生态系统碳氮循环机理。

伴随着工业化和城镇化的快速发展,人类活动所导致的全球变化对生态系统的影响和冲击愈发明显。土壤微生物在参与物质循环、能量流动及保持生物多样性稳定中扮演着重要角色,其对全球变化的响应直接影响着生态系统的结构和功能,关系生态系统生产力和生物多样性维持。高山林线作为高山和亚高山的生态交错区,生物多样性丰富,同时受到低温和土壤氮缺乏的限制。因此,高山林线被认为是观察气候变暖、氮沉降等全球变化因子对高山生态系统影响的绝佳场所。但长期以来,关于增温和氮沉降对高山林下土壤微生物群落的复合效应及其作用机理的认知十分匮乏。

消落区是陆地生态系统和水生生态系统的过渡带,是一种分布较广泛的湿地生境。消落区生态系统中一个重要生态过程为反硝化作用,它是反硝化细菌在厌氧条件下将硝态氮转化为气态氮的过程,进而将氮从土壤生态系统中彻底的移除,因此消落区具有净化水质的生态功能,同时也是N2O温室气体的重要来源。消落区反硝化作用是国际社会关注的热点研究领域之一,但目前有关消落区水文变化和植被对土壤反硝化作用的影响及其相关的微生物学机制还缺乏足够了解。

牦牛是青藏高原土著的反刍家畜,为藏区牧民提供了最主要的生产和生活资料,具有不可替代的生态、社会和经济地位。在反刍动物瘤胃代谢过程中会产生大量的甲烷,而甲烷的排放会损失掉采食能量的2%

15%。目前相比于其他反刍动物的研究,对于牦牛瘤胃微生物群落及产甲烷菌群的研究较为少见,理解牦牛瘤胃的相关微生物学特征与甲烷生成机制,是当前亟待解决的科学问题。

中国科学院成都生物研究所全球变化生态学课题组博士研究生薛丹在研究员陈槐的指导下,用高通量测序和克隆文库的方法调查了牦牛瘤胃样本中的微生物群落。研究发现在牦牛瘤胃微生态系统中Bacteroidetes 是最丰富的门,其次是Firmicutes、Proteobacteria、Fibrobacteres、Euryarchaeota等。高通量测序发现在自然放牧的牦牛瘤胃中Prevotella是占主导地位的细菌属,Methanobrevibacter是占主导地位的古菌属,并且还发现了多种未培养或未分类的微生物。克隆文库扩增出的产甲烷菌多样性相对较低,但两种分子手段都揭示出在自然放牧的牦牛瘤胃产甲烷菌群中都以Methanobrevibacter为主要的产甲烷菌。

该研究结果促进了对牦牛瘤胃微生态系统及瘤胃甲烷生成机制的理解。项目得到中科院“百人计划”、四川省青年科技创新研究团队专项计划的支持,文章发表于Livestock Science (2016, 188:61-71)。

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海南东寨港红树林自然保护区位于海口市美兰区东北部,是中国建立的第一个红树林保护区。中国科学院成都生物研究所研究员陈槐课题组博士李玮等用高通量测序方法调查了东寨港红树林不同植被下底泥样本中古菌微生物群落。研究发现:1)东寨港红树林具有丰富的古菌和产甲烷菌群落,在门水平上由来自于“BTACK”和“BDPANN”两个大组的古菌组成,且以Euryarchaeota为优势古菌群落;2)产甲烷菌在目水平上主要由Methanobacteriales,Methanomicrobiales,Methanosarcinales 和Methanomassiliicoccales组成。3)PCoA聚类分析表明秋茄和无瓣海桑植被下古菌群落可能与拉关木和木榄植被下古菌群落不同,且通过相关分析发现不同植被下底泥土壤性质差异性是决定古菌群落不同的主要因子。

中国科学院成都生物研究所地下生态学学科组潘开文课题组博士研究生熊勤犁在研究员潘开文和副研究员张林的指导下,以川西高山林线生态系统为研究对象,采用开顶式气室模拟增温和外施不同浓度氮肥模拟氮沉降的方法,研究了气候变暖和不同浓度氮沉降单独以及复合模式下如何影响土壤微生物群落及其影响机理。研究表明,增温使土壤微生物群落结构发生了显著变化,一些特定的微生物功能群,如真菌生物量增温后显著下降而放线菌生物量显著增加。施氮尤其是中高浓度氮(15gN m-2 a-1,30g N m-2 a-1)由于单盐毒害作用直接抑制了该区域的微生物生长,但是氮作为本区域的限制因子之一,通过其间接效应,如改变植物生物量和植物优势群落组成以及土壤养分特性,却间接地促进了微生物生长。气候变暖对土壤微生物群落的影响大于氮沉降作用。最为重要的是,不同于其他亚高山森林生态系统以及高山草甸生态系统,该研究发现在青藏高原东缘林线生态系统中,气候变暖和氮沉降主要是通过诱导改变土壤理化性质以及植物群落从而对土壤微生物群落造成影响,并且增温与施氮对土壤微生物群落结构的改变有显著的交互效应,气候变暖和氮沉降主要通过间接作用改变土壤微生物,从而影响林线生态系统的稳定和生物多样性的维持。

中国科学院武汉植物园副研究员叶琛在研究员张全发的指导下,以三峡水库消落区忠县植被恢复区为对象,针对三峡库区消落区夏季出露时的水文变化的四个阶段(即淹没、饱和、落干和再淹没)开展原位水文变化的模拟,研究水文变化和植被类型对土壤反硝化作用的影响及其微生物学机理。研究发现水文变化显著影响土壤的反硝化作用,可能主要是通过改变土壤的硝态氮含量来实现,其中在乔木区,反硝化速率在淹没状态显著高于落干和饱和状态。水文变化和植被类型均对土壤反硝化菌的nirSnirK基因丰度和多样性产生显著影响。其中水文变化主要通过改变土壤温度、湿度和铵态氮含量对反硝化菌产生影响,不同植被类型通过改变土壤pH、质地、有机碳和C:N来影响nirSnirK基因丰度和多样性。但是,土壤反硝化作用与反硝化细菌群落结构不存在显著的相关关系,表明消落区土壤反硝化作用主要受到环境因素的影响。该研究也揭示了草本和乔木具有潜在提高消落区净化水质的功能,主要分别通过提高土壤反硝化菌的丰度和土壤反硝化作用来实现。

该研究结果有助于理解东寨港红树林温室气体甲烷和氧化亚氮排放微生物学机理。研究成果发表在Journal of Soil and Sediments

该研究使科研人员认识了高山林线土壤微生物群落结构改变与气候变化和氮沉降的关系,证明了气候变化和氮沉降对土壤微生物的间接效应要远大于直接效应。该研究不仅为预测气候变化和氮沉降复合作用下对高山林线生态系统结构和功能的影响提供了基础,也为今后研究土壤食物网、土壤碳氮循环及地上地下部分复合效应提供了基础,有利于青藏高原林线区域的生态保护和可持续管理。

该研究得到了国家自然科学基金、国务院三峡办项目和中科院先导专项B项目的支持。研究成果以Hydrologic pulsing affects denitrification rates and denitrifier communities in a revegetated riparian ecotone为题,在线发表在Soil Biology &Biochemistry上。

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该研究得到国家自然科学基金(# 31100350, 31370632, 41301315)的资助,相关结果发表在Applied Soil Ecology,2016,101:72-83。

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三峡水库消落区忠县植被恢复区采样点设计图

试验林地位置

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不同植被类型下水文变化对土壤反硝化速率和反硝化菌的影响

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