西北干旱区棉田和草原生态系统 N2O 产排的关键过程和微生物驱动机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 尹明远 |
| 答辩日期 | 2020-06-30 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 高霄鹏 ; 曾凡江 |
| 关键词 | 氧化亚氮 硝化活性 反硝化活性 功能基因丰度 微生物群落结构 剖面 N2O 浓度 土壤冻融 施肥 放牧 Nitrous oxide Denitrifying enzyme activity Nitrifying enzyme activity Functional genes Bacterial community structure Profile N2O concentration Spring-thaw Grazing Nitrogen fertilizer |
| 学位专业 | 理学博士 |
| 其他题名 | Study on Key Processes and Microbial Mechanisms of Nitrous Oxide Emissions from Cotton Fields and Grassland Ecosystems in Arid Region of Northwest China |
| 英文摘要 | N2O 是最重要的温室气体之一， 其约 70-80%的人为排放来自于农业土壤尤其是农田和草地土壤，主要与农业生产过程中的氮肥施用（包括化肥和有机肥）和放牧管理措施有关。新疆膜下滴灌棉田和昆仑山北坡高山草地是我国西北干旱区主要的农田和草原生态系统，然而关于这两种生态系统生长季和冻融期土壤N2O 产排特征及其关键调控因子，尤其是不同氮肥管理措施和放牧强度对 N2O排放影响及其微生物机理的研究尚不多见。 理解 N2O 产排关键过程（施肥和冻融）的微生物调控机制对减少 N2O 排放和实现绿色农业至关重要。因此，本研究以南北疆滴灌棉田和南疆昆仑山北坡高山草地为研究对象，结合田间定位试验和室内实验室分析，利用原位硅胶管和静态箱方法连续监测土壤剖面 N2O 浓度和地表排放，应用高通量测序和定量 PCR 监测 N2O 产生相关微生物丰度和群落结构，系统研究了西北干旱区膜下滴灌棉田生长季和冻融期土壤 N2O 排放特征及其微生物驱动机制。主要研究内容包括： 1）滴灌棉田土壤冻融期 N2O 排放的生物学机制； 2）施用化肥或有机肥对滴灌棉田 N2O 产排的影响及其与相关功能基因的关系； 3） 不同放牧强度对昆仑山北坡高山草地 N2O 产排特征的影响及其与环境因子包括气候、土壤和相关微生物的关系； 4）氮（N）磷（P）养分添加对草地 N2O 排放影响的微生物机制。主要研究结果总结如下：1）滴灌棉田土壤冻融期的 N2O 排放占全年排放的近 40%，主要以反硝化作用下的新产生机制为主；干旱区农田在越冬期土壤温湿度低，不利于 N2O 产生和冰冻层的形成，因此物理释放机制可忽略不计；土壤融化阶段的反硝化强度和N2O 排放主要与土壤温度和土壤孔隙含水率（WFPS）的增加有关，而与 narG、nirS、 nirK 和 nosZ 等反硝化菌的丰度变化无显著相关；棉田生育期氮肥处理对冻融期 N2O 排放影响不大，主要与长期滴灌耕作造成硝态氮在表层土壤的累积较高有关。2）与不施肥对照和尿素处理相比，施加有机肥显著增加了 narG， nirK， nirS和 nosZ-型反硝化菌的丰度，并显著影响了土壤细菌微生物的群落结构。 有机肥处理较尿素处理明显增加了反硝化酶活性，而对硝化活性无显著影响；棉田生长季 N2O 排放与反硝化酶活性、以及 narG， nirK 和 nosZ 基因丰度存在显著正相关关系。这些结果表明有机肥增加南疆滴灌棉田土壤 N2O 排放，主要是通过增加土壤有机碳，进一步增加了土壤反硝化相关功能基因的丰度，从而反硝化活性增强，促进 N2O 产排。3） 南疆昆仑山北坡高山草地生态系统的 N2O 排放量整体较低，与封牧处理相比，重度和中度放牧显著增加了 N2O 排放；不同放牧强度处理下草地土壤 N2O排放速率与相关硝化和反硝化功能基因的丰度和活性无显著相关，而更受到土壤性质包括有机碳含量和温湿度的影响。 放牧通过改变土壤 C、 N 含量， 从而改变土壤微生物群落 β 多样性。 同时发现， 不同放牧强度处理下土壤剖面 N2O 的浓度和累积量无显著差异。这些研究结果表明制定合理的放牧管理措施以减少草地N2O 排放并维持畜牧业生产的重要性。4） 与单施氮肥相比，氮磷同时添加不但提高了草地生产力，维持了土壤微生物群落的多样性，而且显著减少了 N2O 排放；氮添加增加昆仑山北坡高山草地土壤 N2O 排放，主要是通过增加土壤硝化相关功能基因的丰度，从而增加硝化活性，促进 N2O 产排； N、 P 同时添加减少 N2O 排放，可能是由于增加了草地生产力，进一步增加了其对氮的吸收，进而减少了土壤无机氮的有效性，降低硝化和反硝化强度。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.xjlas.org/handle/365004/15402]  |
| 专题 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 新疆生态与地理研究所_研究系统 |
| 作者单位 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 尹明远. 西北干旱区棉田和草原生态系统 N2O 产排的关键过程和微生物驱动机制研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆生态与地理研究所
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