SCI TOTAL ENVIRON|中科院揭示从微生物功能基因到酶活性等不同生物作用下土壤氮素转化机理

SCI TOTAL ENVIRON|中科院揭示从微生物功能基因到酶活性等不同生物作用下土壤氮素转化机理

中国科学院西北生态环境资源研究所的研究人员于Science of the Total EnvironmentIF:6.551)上发表了一篇题为“The mechanism of soil nitrogen transformation under different biocrusts to warming and reduced precipitation: From microbial functional genes to enzyme activity”的研究文献,该文献揭示了从微生物功能基因到酶活性等不同生物作用下土壤氮素转化机理。

文章来源

背景:

土壤氮矿化是受气候变化影响的微生物介导的生物地球化学过程。然而在生物覆盖的土壤中,氮矿化作用对长期变暖加上干旱的反应机制的信息很少。本研究采用开放式顶部封闭式生态系统,研究了3年内土壤氮素转化速率、酶活性和基因丰度对气候变暖和降水减少的响应。研究结果进一步突出了温带沙漠中不同生物体在氮循环中的重要性。


结果:

土壤理化性质

在研究期间,气候变暖和降水减少对土壤温度和湿度的影响最为显著。结果表明,虽然降水量减少对土壤温度和含水量的影响在各试验区间也是一致的,但蓝藻覆盖的土壤在土壤温度升高和含水量降低幅度均大于其他两种土壤。

研究地点的土壤湿度变化图

图1.研究地点的土壤温度和湿度的月变化

土壤净氮转化率

气候变暖加上降水量减少,使得生物覆盖土壤的净氮转化率显著降低。在正常条件下,苔藓覆盖土壤中RnRm的含量显著高于其他两种土壤,但经增温处理后,蓝藻覆盖土壤的净氮转化率高于其他两种土壤。

不同时期土壤净氮率随温度变化图

图2. 不同生物周期的土壤净氮转化率随温度和降雨量的变化

土壤类型和温度对土壤净氮值、净硝化率、净氮矿化值、N相关基因丰度和酶活性的主要交互作用效应

图3.土壤类型和温度对土壤净氮值、净硝化率、净氮矿化值、N相关基因丰度和酶活性的主要交互作用效应

土壤酶活性

增温处理和土壤类型对土壤氮素降解酶活性的影响呈交互作用。结果表明,不同土壤类型间,苔藓覆盖土壤的酶活性无显著差异,但升温后酶活性明显下降。

不同生物作用时期土壤酶活性的变化

图4.不同生物作用时期土壤酶活性的变化

增温对N转化基因的影响

气候变暖和土壤类型对土壤N转化相关基因有显著影响 ,在气候变暖处理后,相关基因存在明显差异。在大多数情况下,苔藓覆盖土壤中氨化和硝化相关基因明显高于蓝藻覆盖土壤和裸土。

不同生物类群在升温和降雨量减少处理后基因丰度的变化

图5.不同生物类群在升温和降雨量减少处理后基因丰度的变化

结论:

结果表明,降水量减少引起的气候变暖对土壤Ra和Rm有明显的抑制作用,主要是由于微生物功能基因和相关酶活性的下降。低降水条件下的升温通过抑制温带沙漠土壤的氨化过程而降低了土壤养分,微生物功能基因是决定土壤盐分转化的主要因素。 这项研究为确定温带沙漠生态系统N循环中关键过程的功能基因提供了基础。


参考文献

【1】Allison,S.D. 2005 Cheaters,diffusion andnutrients constraindecomposition by microbial enzymes in spatially structured environments. Ecol. Lett. 8, 626–635.

【2】Allison, S.D., Treseder, K.K., 2008. Warming and drying suppress microbial activity and carbon cycling in boreal forest soils. Glob. Chang. Biol. 14, 2898–2909.

【3】Allison, V.J., Condron, L.M., Peltzer, D.A., Richardson, S.J., Turner, B.L., 2007. Changes in en-zyme activities and soil microbial community composition along carbon and nutrient gradients at the Franz Josef chronosequence, New Zealand. Soil Biol. Biochem. 39,1770–1781.


该研究受到中国科学院国家重点研究开发项目、中国科学院战略重点研究项目、国家自然科学基金项目和中国科学院青年创新促进的支持。

论文链接
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137849

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