氮输入对泥炭沼泽碳氮转化的影响研究
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氮输入对泥炭沼泽碳氮转化的影响研究
泥炭沼泽面积仅占陆地总面积的2–3%,其碳储量却占全球土壤碳储量的30%,甲烷排放量占甲烷年排放量的4–10%,泥炭沼泽因而在全球碳循环和气候变化中占有重要地位。如今农业氮肥的大量使用,使泥炭沼泽面临氮输入影响,可能会对其碳库功能和温室气体排放格局产生影响,而这些均与土壤微生物参与的碳氮转化过程有关。
本研究以吉林省金川泥炭沼泽为研究对象,选择长期（>40年）受氮输入影响的水稻田-泥炭地和自然状态的泥炭地（对照）0–60 cm土壤剖面,采取野外试验和室内实验相结合的方法,通过稳定性同位素示踪和高通量测序技术,研究了氮输入对泥炭沼泽土壤剖面理化性质的季节变化、剖面及地表温室气体的季节排放动态、土壤微生物群落的垂直分布特征以及氮添加对碳氮转化过程反硝化型厌氧甲烷氧化的影响,主要得出以下结论:1、氮输入导致土壤有机碳（OrgC）和全氮（TN）浓度在0–30 cm低于30–60 cm,且土壤碳氮比在0–30 cm有所降低,同时使铵态氮（NH4+）在0–30 cm区域积累,而硝态氮（NO3-）和亚硝态氮
（NO2-）在整个剖面（0–60 cm）减少,此外氮输入还提高了土壤pH值,使其由3.87–4.84升高至4.20–5.41;这些影响均在夏季（7月和8月）更为显著。2、氮输入导致生长季（5–10月）整个剖面（0–60 cm）的CO2、N2O排放量增加而CH4排放量减少;氮输入对CO2、CH4、N2O排放量的影响呈现0–30 cm强于30–60 cm趋势,并在6月或7月影响显著,其中在20–30 cm 层,氮输入使6月份的CO2和N2O排放量分别增加了
357.24%和114.79%,7月份的CH4排放量降低了95.24%;另外,氮输入对40–50 cm和50–60 cm的CH4和N2O排放量均无显著影响;与剖面温室气体排放的结果一致,氮输入增加了地表CO2和N2O排放量,并减少了地表CH4排放量;CO2和CH4排放量在7月和8月达到最高,而N2O地表排放量则在6月达到峰值;CO2和CH4排放主要受氮输入和土壤温度的直接影响,而N2O排放则主要受土壤pH和硝态氮浓度的间接影响;氮输入还导致生长季土壤增温潜势增强,并在夏季（6–8月）增幅最大,这主要是由升高的N2O排放量导致的,N2O对增温潜势的贡献率在氮输入后提高了58.00–519.87%,其贡献率可达86.01–98.74%。
3、氮输入降低了古菌群落多样性却提高了细菌群落多样性;古菌群落结构方面:深古菌门（Bathyarchaeota）是金川泥炭沼泽土壤的优势菌群（>70%）,氮输入后使其相对丰度有所增加,可达80%以上,这主要是与升高的土壤pH值和铵态氮浓度有关;氮输入使产甲烷菌群由甲烷八叠球菌目为主向甲烷杆菌目为主转变,并提高了产甲烷菌和反硝化型厌氧甲烷氧化菌的相对丰度,降低了氨氧化古菌的相对丰度,这些改变主要是由升高的土壤pH值、
NH4+浓度以及降低的OrgC和TN浓度共同导致的;细菌群落结构方面:变形菌门（Proteobacteria）,绿弯菌门（Chloroflexi）和酸杆菌门（Acidobacteria）是金川泥炭沼泽土壤的主要细菌群落;氮输入提高了好氧甲烷氧化菌多样性,改变了好氧甲烷氧化菌的群落结构,在水稻田-泥炭地出现甲基八叠球菌属和泉发菌属,而Methylovulum属消失,同时,在剖面深度为60 cm 处检测到了以甲基暖菌属（47.37%）为主的好氧甲烷氧化菌群,这些改变主要与
升高的土壤pH、NH4+浓度和降低的OrgC浓度有关;氮输入提高了好氧甲烷氧化菌、和反硝化型厌氧甲烷氧化细菌及氨氧化细菌相对丰度,这主要由升高的pH值和NH4+浓度以及降低的
NO3-、OrgC和TN浓度导致的。4、氮进入泥炭沼泽土壤后能够发生碳氮耦合过程反硝化型厌氧甲烷氧化过程,且其反应速率随培养时间延长呈对数递减趋势,培养1小时后,甲烷氧化量可达92.53 nmol
g-1;硝态氮添加显著提高了水稻田-泥炭地和泥炭地的反硝化型厌氧甲烷氧化反应速率和厌氧甲烷氧化量。
综上,长期氮输入会对泥炭沼泽的碳汇功能及其增温效应产生负面影响,尤其是在0–30 cm土层和夏季影响更为强烈。氮输入后,土壤有机碳浓度降低,而土壤pH值和铵态氮浓度升高;CH4排放减少,而CO2和
N2O排放增加,并导致土壤增温潜势增强;碳氮转化相关土壤微生物:产甲烷菌、反硝化型厌氧甲烷氧化古菌和细菌、好氧甲烷氧化菌和氨氧化细菌的相对丰度增加,氨氧化古菌的相对丰度降低,这些改变均与升高的土壤pH值和NH4+以及降低的NO3-、OrgC 和TN浓度有关;此外,泥炭沼泽土壤中能够发生碳氮耦合过程反硝化型厌氧甲烷氧化反应,并且氮添加能够显著提高其反应速率和甲烷氧化量。
本研究结果为评估和预测氮输入增加背景下泥炭沼泽能否继续发挥其碳汇功能提供了理论依据,对于制定有效的泥炭沼泽管理措施和预测氮输入增加背景下泥炭沼泽的温室气体排放格局具有重要意义。