毛乌素沙地土壤固定大气二氧化碳的微生物途径

发布时间：2020-04-12 10:33

【摘要】：干旱、半干旱地区在地球陆地表面广泛分布,由于这些地区自然条件严酷,植被生产力低下,一直被认为是向大气排放二氧化碳(CO_2)的源。而近年来全球范围的研究已证实,干旱生态系统的土壤能够固定大气CO_2,这为探寻碳失汇(missingsink)问题提供了重要的线索。然而,目前的物理和化学过程并不能完全解释该现象。本研究在已有研究基础上,提出土壤固定大气C02的微生物途径假说,认为土壤的某些微生物,能够将大气CO_2转化为土壤有机碳和无机碳。为验证该假设,本研究以毛乌素沙地为研究区,利用高通量测序、稳定碳同位素示踪、含碳矿物生成实验、X射线衍射分析、扫描电镜分析等技术手段,研究了沙地土壤中具有固碳功能的微生物类群,以及土壤微生物将大气CO_2转化为土壤有机碳和无机碳的具体途径。主要研究结果及结论如下:(1)在毛乌素沙地土壤中检测到了存在自养固碳基因的微生物,其中编码还原柠檬酸循环的基因相对丰度最高。这些自养微生物隶属于放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)等。通过稳定碳同位素示踪试验,发现沙地土壤自养微生物可将大气C02转化为土壤有机碳。该途径固定的大气C02占土壤吸收大气C02的3.85%。该自养固碳过程是沙地土壤吸收大气C02的重要生物转化机制。(2)毛乌素沙地土壤中不仅存在自养固碳微生物,也存在异养固碳途径的微生物,且自养固碳微生物的数量要远多于异养固碳微生物。固碳微生物中只有很小一部分利用还原戊糖磷酸循环(主要为光合途径)固碳,绝大部分通过非光合途径固碳。这些固碳微生物能够将C02转化为土壤有机碳,且其固定C02的能力受固碳微生物中采用特定自养途径和异养C02固定途径的微生物组成的影响。(3)通过分离纯化土壤中的微生物,得到的6种细菌(节细菌Arthrobactersp.、红球菌Rhoadococcussp.等)以作为成核位点和提高溶液pH等方式诱导无机碳(碳酸钙,主要形态为方解石和球霰石)形成。通过~(13)C02示踪,证实了大气C02参与了细菌形成含碳矿物的过程。(4)在~(13)CO_2环境中的培养实验发现,~(13)C在微生物的作用下被吸收进入了土壤无机碳库,且其转化速率与土壤微生物群落组成及相关代谢过程相关。同时,在控制实验条件下发现微生物群落能够诱导形成无机碳(方解石、含碳硅铝酸盐)。通过该过程初步发现沙地土壤微生物能将大气CO_2固存在土壤无机碳库中。以上研究表明,大气CO_2可经固碳微生物同化为有机碳。沙地土壤微生物能够将大气CO_2封存在土壤无机碳库中。本研究为深入认识沙地土壤吸收大气CO_2的现象提供了微生物途径机制的解释。沙地土壤固定大气CO_2的微生物途径很可能是沙地土壤碳库形成和维持的重要机制,而如何在长时间尺度上确定微生物生成有机碳和形成无机碳的速率以及去向,以及将微生物形成含碳矿物的特性作为一种技术手段在防沙治沙中的应用,仍需深入研究。
【图文】：

降水分布,位图,毛乌素沙地

２研究区概况逡逑本研宄在毛乌素沙地西南缘的宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究逡逑站站区内开展（图２．１）。研宄地地理坐标为北纬３７°４２＇，东经１０７°１３＇。站区内平均海逡逑拔为１５０９邋ｍ。该研究区为典型温带大陆性气候。该地区多年平均降雨量为２７５邋ｍｍ。逡逑受季风的影响，研究区内全年降水分布极度不均匀，月降水量差异较大，主要降雨事逡逑件发生在８？９月份。研宄区因为西北环流的原因，昼夜温差大，光照充足，热量适中，逡逑年平均温度为７．６°Ｃ，无霜期达１２８天。主要风向为西北风，年平均风速为２．８ｍ邋Ｗ。逡逑主要灾害天气有干旱、沙暴、霜冻、大风等。逡逑研宄区的主要土壤类型为风沙土。土壤结构性较差，但具有较高的钙含量。研究逡逑区因为过度放牧的缘故，由干草原逐渐演变为流沙地。２０００年以来，在站区内实施了逡逑不同的植被恢复方式，包括撒播、人工扦插和自然封育等。目前主要建群物种为油蒿逡逑（ｄ＂ｅｗｋ／＿ａｏｒａ＾ｗ７ｃａ）、沙柳赖草等。此外，逡逑在固沙灌木林地中

４．１．１样地选择与样品采集逡逑２０１６年８月，在研宄站区内选择围封１０年以上且具有代表性植物种的区域，在逡逑其中选择３个１００邋ｍ邋ｘ邋１00邋ｍ的样地（图４．１邋）。此处选取的样地１、２、３分别为油蒿逡逑（Ａ邋ｏｎｆｏｓ／ｃａ）、沙柳（５１．邋ｐｓａｍｍｏｐＭａ）、赖草（Ｚ．邋ｓｅｃａ／ｉｎｗｓ）为优势植物种的样地，逡逑样地盖度约为４０％、７０％、８５％。在每个样地内，随机设置３个２０ｍ邋ｘ邋２０邋ｍ的样方，逡逑各样方间距为２０邋ｍ。在样方内采集土壤样品。采集样品前，去除土壤表层植物枯落逡逑物。在每个样方内随机选择１２个样点，使用灭菌土钻（直径２．５邋ｃｍ）采集０？２０邋ｃｍ逡逑深度范围内的土壤，并将１２钻土混匀以代表该样方样本，以避免土壤异质性对数据逡逑可靠性的影响。将混合后的土壤过２邋ｍｍ筛以去除植物枯落物和根系，然后分为４份。逡逑第一份土壤样品立即存储在－７８°Ｃ条件下，，用于宏基因组测序。第二份用于实验室内逡逑的ｎＣ０２标记培养实验。第三份保存在４°Ｃ冰箱内
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154.3

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