反硝化过程是生态系统气态氮损失的主要途径,然而其速率一直难以量化.15N同位素自然丰度法是量化陆地生态系统尺度反硝化速率的有效方法,但是该方法需要考虑反硝化过程中的氮氧同位素分馏效应.目前关于陆地土壤反硝化作用分馏系数的研究主要集中在森林和农田,对于草地土壤的研究十分有限.基于此,本研究以我国不同地区的4种典型草地土壤(大兴安岭、多伦、额尔古纳和刚察)为对象,通过室内厌氧培养实验测定土壤微生物群落反硝化作用的硝酸盐消耗速率,并借助瑞利分馏模型拟合出N和O同位素分馏效应(ε)及其比值(△δ180∶△δ15N).结果显示,草地土壤15ε为21.6‰～32.0‰(27.1‰±2.1‰),18ε为10.4‰～15.7‰(12.9‰±1.1‰).研究发现,不同环境之间15e存在一定差异,可能归因于不同类型土壤理化性质和反硝化微生物群落组成的差异.此外,不同研究所用计算方法的差异、底物硝酸盐浓度、硝酸盐异化还原反应以及开放环境中可能发生的硝化作用等都会在不同程度上影响15ε的计算.对于18ε来说,年均温和年均降水是影响18ε的重要因素.草地土壤△δ18O∶△δ15N比值为0.38～0.49(0.46±0.03),低于以往陆地和水体生态系统以及微生物纯培养的研究.亚硝酸盐的再氧化和与水之间的氧同位素交换可能是造成△δ18O∶△δ15N差异的重要原因.综上所述,不同草地生态系统土壤反硝化分馏效应存在一定差异,在定量评估陆地生态系统反硝化作用速率时需综合考虑气候类型和生态系统等变量.

藻类结皮形成和发育,能够提高土壤稳定性并增加土壤有机质含量,为微生物生长、繁殖和草本植物拓殖创造条件.因此,藻类结皮潜在功能对后续生物结皮及生态系统演替具有重要意义.然而,古尔班通古特沙漠藻类结皮营养循环相关微生物及潜在功能机制尚不清楚.以古尔班通古特沙漠不同区域藻类结皮为研究对象,采用宏基因组测序技术,研究藻类结皮微生物群落及碳氮循环功能基因特征.研究结果表明蓝藻菌门、变形菌门、放线菌门是藻类结皮中主要微生物类群,在沙漠固碳和氮循环中起到重要作用.微生物α多样性结果显示仅物种丰富度指数在三个区域内存在显著差异.β多样性结果显示藻类结皮未因沙漠局部气候及理化因子差异产生微生物群落分化.而微生物群落功能基因对环境变化响应要比微生物群落更为敏感,沙漠东部和西部藻类结皮功能基因产生显著分化.三个区域微生物功能基因中还原型三羧酸循环是自养生物固碳主要途径,而卡尔文循环是光合生物固碳的主要途径,其中rpiA和rbcS基因更易受到降水影响.鞘脂单胞菌属、念珠藻属和伪枝藻属在参与固碳过程中表现出的差异,可能是导致固碳功能基因产生分化的原因之一.氮循环主要途径以硝酸盐还原为主,大部分氮素通过硝酸盐同化作用被土壤微生物转化为铵盐,少量氮素被反硝化为一氧化二氮和一氧化氮流失.沙漠藻类结皮固氮作用较弱,仅有念珠藻属和伪枝藻属参与,且存在nifH、nifD、nifK三个功能基因.这些固氮功能基因更易受到土壤中硝态氮含量的影响.硝化过程仅注释到氨单加氧酶或甲烷单加氧酶编码pmoABC-amoABC基因,而hao和nxrA、nxrB基因均未注释获得.

土壤氮矿化速率限制着森林土壤有效氮素供给能力,但目前关于黄土高原次生林演替过程土壤氮矿化特征的认识还不清楚.选择黄土高原黄龙山次生林区草本阶段、灌木阶段、先锋乔木群落阶段、混交森林群落阶段和顶级森林群落阶段等5个演替阶段的9种群落类型,测定了其林下土壤氮矿化速率,并分析了土壤理化性质、凋落物养分特征和土壤酶活性及其对氮矿化的影响.结果表明:随着演替进展,土壤有机碳和氮不断积累,土壤硝态氮和铵态氮含量逐渐增加,凋落物养分和土壤酶活性也发生了显著变化.土壤硝化速率从草本群落阶段到顶级森林群落阶段显著增加了 71.73％;土壤氨化速率一直为负值且持续负向增加;土壤净矿化速率从草本群落阶段的(0.16±0.06)mg kg-1 d-1逐渐增加到混交森林阶段的(0.31±0.08)mg kg-1 d-1,但从混交林群落到顶级森林群落阶段有所下降.土壤理化性质(路径系数-0.530)和酶活性(路径系数-0.268)对氮矿化速率有显著的直接作用;凋落物养分对氮矿化速率的影响来自于其直接作用(路径系数-0.283)和通过调控土壤理化性质、酶活性产生的间接影响(路径系数-0.315).结果有助于认识黄土高原植被演替过程中土壤氮循环过程,对森林可持续经营也有一定的意义.

本研究以西双版纳热带森林生态系统恢复前期的白背桐群落、中期的崖豆藤群落和后期的高檐蒲桃群落为研究对象,采用高通量测序技术测定土壤氨氧化细菌(AOB)群落的干湿季变化特征,分析热带森林生态系统恢复过程中土壤理化环境变化对AOB群落组成及多样性的影响.结果表明:热带森林恢复显著影响土壤AOB优势门的相对丰度及其季节变化.变形菌门相对丰度均值在恢复前期达最大(71.3％),而放线菌门则在恢复后期达最大(1.0％);变形菌门和放线菌门丰度的干湿季变幅分别在恢复前期和后期达最大.热带森林恢复显著影响土壤AOB优势属相对丰度及其季节变化.亚硝化螺菌属和亚硝化毛杆菌属相对丰度均值在恢复后期达到最大,分别为66.2％和1.5％,而亚硝化弧菌属则在恢复前期达最大,为25.6％;亚硝化螺菌属和亚硝化弧菌属相对丰度的干湿季变幅最大值出现在恢复前期,而亚硝化毛杆菌属丰度的变幅则在恢复中期达最大.AOB群落Chao1、Shannon和Simpson指数均沿热带森林恢复进程显著增加且在湿季高于干季.典范对应分析表明,土壤易氧化碳是AOB群落多样性和放线菌门丰度变化的主控因子;土壤容重和温度是变形菌门丰度变化的主要影响因子;土壤pH、微生物生物量碳、含水率、铵态氮、容重和温度是亚硝化螺菌属、亚硝化毛杆菌属和亚硝化弧菌属的主控因子.因此,热带森林恢复主要通过改变土壤温度、容重及易氧化碳含量而调控优势类群的丰度变化,从而促进AOB群落多样性.

气候暖干化导致高寒地区泥炭地土壤氮排放急剧增加,但是潜在的微生物调节机制尚不清楚.本文综述了高寒泥炭地土壤氮转化与排放过程对温度升高、水位变化的响应,土壤厌氧氨氧化(Anammox)与NO3-异化还原过程的相互作用,土壤N2O产生路径及其贡献.当前研究的不足体现在:1)只关注土壤N2O排放,忽视了 N2的释放,导致高寒地区泥炭地氮的损失量被严重低估;2)Anammox过程对泥炭地N2排放的贡献未被量化;3)Anammox、细菌反硝化和真菌协同反硝化过程对N2损失的相对贡献缺乏定量评估;4)气候暖干化情景下Anammox和NO3-还原过程的解耦机制尚不清楚.未来研究重点应着力于:构建野外增温、水位控制暖干化模拟试验平台,结合稳定性同位素、分子生物学和宏基因组学技术,围绕格局-过程-机理这条主线,系统评估高寒地区泥炭湿地氮排放(N2O、NO、N2)的量级、组成比例与主控因素,探讨土壤主要脱氮过程的相互作用规律,量化硝化、厌氧氨氧化和反硝化对N2O、N2产生的相对贡献,甄别对暖干化响应敏感的微生物类群,明晰土壤脱氮转变与微生物群落演替之间的耦联关系,揭示土壤脱氮过程对气候暖干化响应的微生物学机理.

森林火灾是森林生态系统最重要的干扰因素之一,林火的发生改变了森林土壤生态环境,影响着土壤氮素循环与转化的生物与非生物因子,对土壤氮库以及氮素循环过程有着重要影响.阐明火干扰下森林土壤氮组分的变化特征,对于理解森林土壤氮素循环与转化对火干扰的响应机理至关重要.而现有关于火干扰对土壤氮素循环与转化的影响研究结果还不尽一致,其影响机制尚不明晰.笔者通过查阅大量相关文献,重点论述了火干扰对土壤氮循环中氮素损失、氮素固持、氮矿化、反硝化和气态氮排放等关键过程的影响,以及火干扰对土壤氮素循环与转化的影响机制,认为土壤氮素循环与转化的特征主要受到火烧因子(火烧强度、火烧频率、火烧后恢复时间、火后恢复方式、火后产物黑碳和灰分)、植被类型及土壤性质3个方面的影响,并从火干扰对土壤氮循环的影响机制、火干扰对土壤氮素循环的长期影响、火干扰后产物对土壤氮素循环影响等3个方面进行探讨与展望,以期深入了解火干扰下土壤氮素循环的特征.

[背景]煤矸石堆场用于堆放煤矿开采过程中产生的一种热值低、含重金属的固体废弃物,会产生大量的酸性废水,对堆场周边的生态环境造成严重影响.[目的]探究煤矸石堆场的微生物群落结构和功能特征.[方法]选择贵州省六枝特区典型煤矸石堆场作为研究对象,采集堆场表层土壤、矸石层土壤、废水浸出口沉积物和堆场下游河道沉积物,通过宏基因组学技术进行分析.[结果]细菌的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),优势菌属为钩端螺菌属(Leptospirillum)和硫化杆菌属(Sulfobacillus);古菌的优势菌门为 Candidatus_Thermoplasmatota 和泉古菌门(Crenarchaeota),优势菌属为热原体属(Thermoplasma)和金属球菌属(Metallosphaera).不同采样点细菌和古菌的优势菌属存在显著差异,矸石层土壤和废水浸出口沉积物中的铁氧化细菌和硫氧化细菌比其他 2个样点丰富.煤矸石堆场中微生物的碳、氮、硫代谢基因丰度较高,共检测到 6条固碳途径、6 条氮代谢途径和 3 条硫代谢途径.主要的固碳基因为ACAT和E2.2.1.1,固碳途径以还原性三羧酸循环为主;主要的氮代谢基因为nirB、nasA和narG,氮代谢途径以反硝化为主;主要的硫代谢基因为cysH和sir,硫代谢途径以同化硫酸盐还原为主.[结论]本研究可进一步拓展对矿山生态环境的认识,为矿区生态修复、土壤和河流污染的治理提供理论依据.

[目的]异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)微生物在生物脱氮中具有重要作用,而能同时去除废水中多种无机氮尤其是羟胺的HN-AD微生物报道较少.本研究从菜地中分离筛选出一株能同时去除羟胺和亚硝酸盐的HN-AD菌株EN-F4,探究其脱氮特征以及羟胺对其脱氮过程的影响,为提高废水处理效率奠定基础.[方法]通过形态学和16S rRNA基因测序对该菌株进行鉴定,并利用批量试验研究该菌株的脱氮特征,结合氮平衡、酶活性和特异性酶抑制剂探索菌株的HN-AD机理,最后通过添加羟胺研究其对不同氮源转化的影响.[结果]菌株EN-F4经鉴定为栖稻假单胞菌(Pseudomonas oryzihabitans),该菌株在25℃条件下对铵盐、羟胺、亚硝酸盐和硝酸盐的去除效率分别为99.27％、99.13％、87.01％和85.20％,对应的最大去除速率分别为8.27、1.85、5.10和5.31 mg/(L·h).更突出的是,外加羟胺后不会抑制该菌的反硝化能力,反而促进了亚硝酸盐和总氮的去除,其最大去除速率分别提升至7.80 mg/(L·h)和7.51 mg/(L·h).结合酶活性的成功检测、氮平衡和HN-AD特异性酶抑制剂分析证实了菌株具有优异的HN-AD能力.[结论]菌株Pseudomonas oryzihabitans EN-F4可以在25 ℃条件下高效地进行HN-AD去除废水中的多种无机氮,且羟胺能显著促进亚硝酸盐和总氮的去除.

从活性污泥中筛选到一株高效的耐低温脱氮菌株W4,评估了该菌株在5、15和25℃下的脱氮性能.结果表明,W4属于假单胞菌属(Pseudomonas),能够在4～42℃、盐度(NaCl)为0～30 g·L-1与pH 6～9条件下生长.在5 ℃条件下,菌株W4能够在72 h内将初始浓度为76.0 mg·L-1的NH4+-N去除74.3％,相应的脱氮平均速率达0.78 mg·L-1·h-1.好氧条件下菌株在5 ℃时可去除42.4％的NO3--N(86.3 mg·L-1)或38.2％的NO2--N(82.2 mg·L-1);在15、25℃条件下菌株脱氮能力进一步提高,对NH4+-N的去除率超过95％,对NO3--N和NO2--N的去除率分别超过66％和69％.菌株W4具有异养硝化-好氧反硝化(HA-ND)代谢活性,在硝化过程中不出现N02--N的积累,在中低温条件下去除无机氮污染具有较好潜力.本研究结果有助于丰富低温脱氮微生物资源并可为HA-ND脱氮工艺提供支撑.

生物结皮是干旱区生态系统光合固碳的重要贡献者,固碳功能菌是生物结皮碳固定过程中的关键功能群,而毛乌素沙地生物结皮有关固碳功能菌群落多样性的研究未见详细报道.通过qPCR和高通量测序,研究了毛乌素沙地固碳功能菌基因丰度、群落多样性在生物结皮发育过程中的演变规律及其关键环境因子.结果表明,form IAB、IC和ID的基因丰度均随生物结皮发育呈升高趋势,在地衣结皮最高,在藓结皮又明显降低;form IAB的Chao1 和form IC的Shannon指数随生物结皮演替呈显著上升趋势,而 form IC和ID的Chao1 则在藻结皮达到峰值.物种组成上,IAB型固碳功能菌以蓝藻门的颤藻目占优势,其相对丰度在藻结皮最高,随生物结皮演替逐渐降低;IC型固碳功能菌在裸沙中以土壤红杆菌目为主,而在三种生物结皮中以生丝微菌目、亚硝化单胞菌目和红螺菌目占优势;ID型固碳菌则以硅藻门的舟形藻目占优势,其丰度在裸沙中最高.IAB和IC型固碳功能菌群落结构在藻结皮和地衣结皮类似,而与裸沙和藓结皮差异显著,裸沙与藓结皮亦具显著差异.生物结皮演替过程中生物类群和土壤理化特征的改变为固碳功能菌提供了不同的生态位,土壤总有机碳、全氮、铵态氮、全磷、速效磷和pH对固碳功能菌群落进行综合调控,通过对固碳功能菌的筛选作用,最终改变固碳功能菌群落组成和结构.为深入理解荒漠生态系统生物结皮的光合固碳功能的微生物学机制提供了理论支撑.