增温对土壤N 2 O和CH 4 排放的影响与微生物机制研究进展
发布时间：2022-01-24 02:05
全球变暖已引起人们的广泛关注,大气温室效应气体浓度增加是导致全球变暖的主要因素之一,土壤是温室效应气体的主要来源。反过来,全球变暖对土壤温室气体的排放具有反馈作用。温度升高不仅会影响植物、动物、微生物的生长及其相互作用,还会影响土壤的物质（尤其是氮、碳）循环过程,从而影响土壤温室效应气体的排放。本文主要总结了增温对土壤主要温室气体N2O和CH4排放的影响及其微生物机制。总体来看,增温能够促进这两种温室气体的排放,其排放主要与温度对氨氧化细菌（AOB）、反硝化功能基因、甲烷产生菌和甲烷氧化菌的丰度和组成的影响有关。土壤温室气体排放也受到植物的物种特性、养分吸收和群落组成,以及土壤营养元素含量、含水量、pH值等理化性质的影响。未来应更深入地从微生物角度探讨全球变暖对土壤温室气体排放的反馈作用机制,加强不同增温模式对土壤温室气体排放的影响研究,并关注增温与其他环境因子相互作用对土壤温室气体排放的影响等,以期为全球变暖对土壤温室气体排放反馈作用的预测提供理论依据。
【文章来源】：应用生态学报. 2020,31(11)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
气温增加影响N2O排放通量的过程
土壤微生物是许多生物化学过程的关键驱动力,相当一部分微生物都表现出对温度的敏感性[27]。土壤N2O和CH4排放相关微生物过程同样会受到温度的调节,微生物活动正是造成不同土地利用类型中土壤N2O和CH4排放变化的最可能的原因[14]。例如,土壤表面温度的升高可以增加土壤内部可溶性有机碳的含量等,进而促进微生物的活动,使得土壤N2O和CH4的排放增加[11,28]。在硝化和反硝化作用过程中,硝化作用微生物AOA和AOB的适宜温度范围是15～35 ℃。反硝化作用在较宽的温度范围(5～75 ℃)内都能进行,对其研究多关注nirS、nirK和nosZ 3种功能基因。高温能直接刺激这些微生物生长,提高其丰度和活性,导致产生更多的N2O气体[10]。一定范围内,温度主要通过影响AOB和反硝化功能基因的丰度来影响N2O的排放,对AOA的影响则较弱。许多研究显示,硝化作用是N2O排放的主要来源[7,29],其中AOB对温度的响应更强烈。对农田和草地土壤进行培育发现,温度由15 ℃增加到25 ℃能够增加AOB的基因丰度,促进N2O排放[12]。对西藏高寒草甸增温到20 ℃时,它与施氮的交互作用不仅能显著增加AOB的丰度,引起N2O排放的增加,还能增加土壤N2O排放的温度敏感性[29]。在我国北方一个8年的田间增温试验中,大部分样品在温度升高1 ℃左右时,AOB丰度增加,而AOA和反硝化功能基因(nirS、nirK和nosZ)的丰度降低[30]。但温度升高也有一定限度,在30和40 ℃的高温培育下,AOA和AOB的生长会受到抑制[31]。另外,温度也可以通过影响反硝化作用相关的微生物影响N2O的排放,其中nirS的基因丰度对温度变化的响应程度要高于其他反硝化功能基因[6]。而当高寒草甸中环境温度的增加导致nirS、nirK和nosZ的基因丰度同时增加时,N2O的产生与氧化同时进行,则可能不会影响N2O的排放[29]。此外,近期人们还发现了可单独将氨氧化为硝酸盐来完成整个硝化过程的微生物,定义为全程氨氧化微生物(Comammox)[32-33]。这种微生物能更适应极低氨浓度的环境,以CO2为唯一碳源。关于全程氨氧化微生物是否能引起N2O排放的变化,还需要未来更多的研究验证。
【参考文献】：
期刊论文
[1]湿地甲烷代谢微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究进展[J]. 李思琦,臧昆鹏,宋伦. 海洋环境科学. 2020(03)
[2]不同水分条件下格陵兰岛冻土活性甲烷氧化菌群落分异规律[J]. 刘蓓,Bo Elberling,贾仲君. 土壤. 2020(01)
[3]全球气候变化对我国高寒地区冻土温室气体通量的影响[J]. 董星丰,陈强,李浩,吴祥文,臧淑英. 土壤与作物. 2019(02)
[4]三江平原小叶章湿地温室气体排放及其对模拟氮沉降的响应[J]. 张荣涛,隋心,许楠,钟海秀,付晓宇,倪红伟. 应用生态学报. 2018(10)
[5]模拟增温对荒漠生物土壤结皮-土壤系统CO2、CH4和N2O通量的影响[J]. 徐冰鑫,胡宜刚,张志山,陈永乐,张鹏,李刚. 植物生态学报. 2014(08)
[6]土地利用方式和培养温度对土壤氮转化及温室气体排放的影响[J]. 郎漫,李平,张小川. 应用生态学报. 2012(10)
[7]温室气体全球增温潜能的研究进展[J]. 张若玉,何金海,张华. 安徽农业科学. 2011(28)
[8]土壤温室气体产生与排放影响因素研究进展[J]. 李海防,夏汉平,熊燕梅,张杏锋. 生态环境. 2007(06)
[9]内蒙古天然与放牧草原温室气体排放研究[J]. 王跃思,薛敏,黄耀,刘广仁,王明星,纪宝明. 应用生态学报. 2003(03)
本文编号：3605615
【文章来源】：应用生态学报. 2020,31(11)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
气温增加影响N2O排放通量的过程
土壤微生物是许多生物化学过程的关键驱动力,相当一部分微生物都表现出对温度的敏感性[27]。土壤N2O和CH4排放相关微生物过程同样会受到温度的调节,微生物活动正是造成不同土地利用类型中土壤N2O和CH4排放变化的最可能的原因[14]。例如,土壤表面温度的升高可以增加土壤内部可溶性有机碳的含量等,进而促进微生物的活动,使得土壤N2O和CH4的排放增加[11,28]。在硝化和反硝化作用过程中,硝化作用微生物AOA和AOB的适宜温度范围是15～35 ℃。反硝化作用在较宽的温度范围(5～75 ℃)内都能进行,对其研究多关注nirS、nirK和nosZ 3种功能基因。高温能直接刺激这些微生物生长,提高其丰度和活性,导致产生更多的N2O气体[10]。一定范围内,温度主要通过影响AOB和反硝化功能基因的丰度来影响N2O的排放,对AOA的影响则较弱。许多研究显示,硝化作用是N2O排放的主要来源[7,29],其中AOB对温度的响应更强烈。对农田和草地土壤进行培育发现,温度由15 ℃增加到25 ℃能够增加AOB的基因丰度,促进N2O排放[12]。对西藏高寒草甸增温到20 ℃时,它与施氮的交互作用不仅能显著增加AOB的丰度,引起N2O排放的增加,还能增加土壤N2O排放的温度敏感性[29]。在我国北方一个8年的田间增温试验中,大部分样品在温度升高1 ℃左右时,AOB丰度增加,而AOA和反硝化功能基因(nirS、nirK和nosZ)的丰度降低[30]。但温度升高也有一定限度,在30和40 ℃的高温培育下,AOA和AOB的生长会受到抑制[31]。另外,温度也可以通过影响反硝化作用相关的微生物影响N2O的排放,其中nirS的基因丰度对温度变化的响应程度要高于其他反硝化功能基因[6]。而当高寒草甸中环境温度的增加导致nirS、nirK和nosZ的基因丰度同时增加时,N2O的产生与氧化同时进行,则可能不会影响N2O的排放[29]。此外,近期人们还发现了可单独将氨氧化为硝酸盐来完成整个硝化过程的微生物,定义为全程氨氧化微生物(Comammox)[32-33]。这种微生物能更适应极低氨浓度的环境,以CO2为唯一碳源。关于全程氨氧化微生物是否能引起N2O排放的变化,还需要未来更多的研究验证。
【参考文献】：
期刊论文
[1]湿地甲烷代谢微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究进展[J]. 李思琦,臧昆鹏,宋伦. 海洋环境科学. 2020(03)
[2]不同水分条件下格陵兰岛冻土活性甲烷氧化菌群落分异规律[J]. 刘蓓,Bo Elberling,贾仲君. 土壤. 2020(01)
[3]全球气候变化对我国高寒地区冻土温室气体通量的影响[J]. 董星丰,陈强,李浩,吴祥文,臧淑英. 土壤与作物. 2019(02)
[4]三江平原小叶章湿地温室气体排放及其对模拟氮沉降的响应[J]. 张荣涛,隋心,许楠,钟海秀,付晓宇,倪红伟. 应用生态学报. 2018(10)
[5]模拟增温对荒漠生物土壤结皮-土壤系统CO2、CH4和N2O通量的影响[J]. 徐冰鑫,胡宜刚,张志山,陈永乐,张鹏,李刚. 植物生态学报. 2014(08)
[6]土地利用方式和培养温度对土壤氮转化及温室气体排放的影响[J]. 郎漫,李平,张小川. 应用生态学报. 2012(10)
[7]温室气体全球增温潜能的研究进展[J]. 张若玉,何金海,张华. 安徽农业科学. 2011(28)
[8]土壤温室气体产生与排放影响因素研究进展[J]. 李海防,夏汉平,熊燕梅,张杏锋. 生态环境. 2007(06)
[9]内蒙古天然与放牧草原温室气体排放研究[J]. 王跃思,薛敏,黄耀,刘广仁,王明星,纪宝明. 应用生态学报. 2003(03)
本文编号：3605615
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