中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 课题2:旱地生态系统土壤氮素转化的关键微生物过程

课题2:旱地生态系统土壤氮素转化的关键微生物过程

核心科学技术问题:

  1. 人为活动影响的土壤是氮循环最为活跃的区域,氮素转化关键过程微生物的存在状况及其生态学意义;
  2. 氮素转化微生物过程调控与氮素管理措施。

 

解决问题的思路与方法:

通过分子生物学、宏基因组学及生物地球化学等多种方法的结合,将各个氮转化过程及其微生物进行关联研究,以揭示氮素转化关键微生物过程及其机理的研究,并与相关通量和反应速率相结合,定量表征氨氧化古菌对土壤硝化作用及氧化亚氮释放的贡献,为氮素的有效管理及调控提供依据。

 

主要研究内容:

1. 土壤氮的容量和强度特征

针对东北黑土、华北潮土和华南红壤的小麦/玉米(油菜)旱地生态系统,分别各采集土壤样品约300份,研究旱地土壤氮素转化各过程氮的形态和含量(通量),估算氮素转化的平衡和归趋。结合应用同位素示踪技术、野外静态箱熏蒸标记测定土壤生物固氮等方法,通过量化土壤生物固氮和气态氮(NH3、N2O、NO和N2)和N2中的15N比例,从而量化气体氮的损失途经以及各自的速率。

2. 土壤氮转化微生物的组成及分布特征

研究典型农田土壤参与氮素转化的功能微生物组成及分布特征,明确相关功能基因与环境因子之间的关系。以氮素转化的功能基因为对象,采用高通量测序、q-PCR等分子生物学方法研究固氮、硝化、反硝化、厌氧铵氧化过程相关微生物的组成、丰度与功能,运用统计学方法明确相关基因的主控因子。并与课题1中的相关通量相结合,阐释不同氮循环过程在旱地农田生态系统的分异特征及其主要环境驱动因子。

3. 氮转化的关键过程与机理

以好氧氨氧化过程为重点突破口,研究N2O释放的机理、硝化作用中AOA和AOB的相对贡献及影响因子。拟以东北黑土、华北潮土和华南红壤农田系统为研究对象,对重点监测样点设置模拟验证实验,通过15N同位素示踪技术,调节环境因子,观测氨氧化微生物的组成和丰度变化,验证氮的投入(如施肥)和流出(如NH3、N2O、NO和N2的释放)与微生物组成和丰度变化之间的关系。明确酸性红壤、碱性潮土以及东北黑土各硝化作用过程中氨氧化细菌和氨氧化古菌的相对贡献及影响因素,量化旱地土壤中气态氮(NH3、N2O、NO及N2)的损失途径,硝化作用(氨氧化过程)、反硝化作用对气态氮释放通量的贡献及控制因子。

4. 土壤氮素利用效率的微生物调控机制

通过研究不同农业管理措施下,氮素转化关键微生物的演变特征,揭示微生物的作用机理。①通过研究不同施肥制度对土壤肥力、微生物组成与功能的影响,明确不同施肥措施下驱动土壤氮素转化的关键功能优势种群。同时研究不同调控措施(如添加不同硝化抑制剂、纳米碳及有机质等)下,土壤氮素的利用效率和关键微生物种群丰度、组成及功能活性之间的内在联系。②系统研究土壤NO3-迁移动态与土壤物理和化学性质的关系,土壤硝酸还原酶活性和反硝化潜力演变动态,揭示影响旱地土壤NO3-淋失过程中底物诱导的微生物响应与作用机制,明确影响NO3-淋失的关键土壤因子。③根据旱地土壤频繁水分变化的特点,系统研究南北方不同水分变化条件下旱地土壤氮素转化过程中N2O释放和无机态氮(NH4+-N、NO3--N)的动态变化规律;干湿交替过程中氧化还原电位,硝酸还原酶和氧化亚氮还原酶活性变化与N2O释放及NH4+-N和NO3--N变化的相互联系;重点研究干湿交替过程中旱地土壤硝化与反硝化过程关键微生物种群组成结构(DNA水平)及活性表达(mRNA水平)与氮素转化的耦合机制,揭示水分变化过程中旱地土壤氮素转化的微生物驱动机制。对不同农业管理措施条件下微生物作用机理的认识,可为我们优化氮素有效管理措施,进一步通过生物调控途径提高氮素的利用效率提供科学依据。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置3个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:主要农业土壤中氮转化微生物的特征。负责人为中国科学院生态环境研究中心贺纪正研究员;

子课题2:旱地红壤氮素循环过程的分异特征。负责人为中国科学院亚热带农业生态研究所魏文学研究员;

子课题3:东北黑土农业系统中氮转化的微生物特征。负责人为中国科学院沈阳应用生态研究所方运霆研究员。

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 课题调研,设计研究方案,完成田间样品的采样共900份, 并对样品进行环境因子调查和土壤理化性质测定。
2015 分区域研究土壤氮素形态及转化速率,研究氮素转化关键微生物群落组成、分布特征及其与环境因子之间的联系。
2016 开展室内模拟实验,研究酸性红壤、碱性潮土和黑土氮素转化关键微生物过程(主要是氨氧化过程)中,AOA和AOB的相对贡献,N2O的释放机理。
2017 研究不同农业管理措施下,土壤中氮转化相关功能微生物的时空演化特征,将微生物过程与氮肥有效性利用相结合;为氮素的有效管理及调控提供依据。
2018 明确旱地农田生态系统氮素转化的内在微生物机制,优化氮素有效管理措施,并准备课题研究报告、总结和成果汇报。
五年成果
具体体现
阐明我国旱地生态系统土壤氮素转化关键微生物过程,特别是氨氧化古菌(AOA)对土壤硝化作用和氧化亚氮产生的相对贡献及其反应机理;AOA是近年发现的具有氨氧化潜力的新类群,通过同位素标记技术结合分子生物学手段揭示其相对贡献及反应机理在科学上具有重要的创新性;培养杰青/优青1名,博士后3人,博士生10人,硕士生10人;发表学术论文30篇,其中SCI检索论文20篇以上, 具有国际影响力的高水平论文3┸4篇。