NWIPB OpenIR
放牧高寒草甸氧化亚氮排放特征及其影响因子
曹莹芳
Subtype硕士
Thesis Advisor曹广民
2018
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
KeywordN2o 排放 微生物 功能基因 环境因子
Abstract        陆地生态系统的碳氮循环及其与大气系统之间的温室气体交换,其发生的生物学机制及其驱动力,是目前陆地与全球变化研究的前瞻性科学问题。氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体,陆地土壤是N2O 的主要排放源,土壤微生物类群及其功能基因是决定土壤N2O 产生过程的重要因子,水热环境因子通过微生物酶活性影响土壤N2O 的排放。
        高寒草甸是青藏高原的主体植被之一,集生态、生产和生活“三生”服务功能于一体,约占高原高寒草地的49%。特殊的地理位置及环境条件,造就了高寒草甸对气候变化和人类活动干扰的敏感性和脆弱性。目前有关高寒草甸对大气N2O 排放的研究着重于日动态及其季节特征,且多为短期的零星研究,缺乏长时间序列的数据支持,在发生机理研究上多注重于N2O 的排放通量、土壤水热状况与其排放强度的相关性分析,缺乏生物学过程的解释。
        本研究以高寒草甸为研究对象,采用静态箱-气相色谱法,在2000-2014 年期间,进行了为期10 年的长时间序列尺度上自然高寒草甸生态系统N2O 排放通量特征及其气候因子对它的影响研究;于2016-2017 年,采用实时定量PCR 技术,以影响氮循环的微生物功能基因(氨氧化古菌AOA,氨氧化细菌AOB,亚硝酸盐还原酶基因nirK 和nirS,氧化亚氮还原酶基因nosZ)为指标,研究了其对放牧干扰(Gi:放牧强度,i 只羊/公顷)的响应及其与高寒草甸N2O 排放的关联作用。以期为评价青藏高原放牧高寒草甸生态系统在全球变化中的作用,并为草地可持续利用提供理论依据。取得的主要研究结果如下:
        (1)随着放牧强度的增加,N2O 的排放速率呈现单峰式变化,峰值出现在中等放牧强度,生长季N2O 排放速率明显高于非生季(p<0.05),在生长季和非生长季N2O 排放速率的变化趋势基本保持一致:G8(中度放牧)>G4(轻度放牧)>G12(重度放牧)>G16(极重度放牧)。
        (2)随放牧强度的增加,微生物功能基因(氨单加氧酶基因AOA+AOB,亚硝酸盐还原酶基因nirK+nirS,氧化亚氮还原酶基因nosZ)的数量呈现“倒V字型” 变化趋势,最低值出现在G12;生长季功能基因的数量明显高于非生长季(p<0.05),其中在G16 时,表征硝化过程的amoA 基因丰度(AOA 氨氧化古菌+AOB 氨氧化细菌) 在非生长季明显大于生长季,以及在G4 时,表征反硝化过程的微生物功能基因nosZ 丰度在非生长季明显大于生长季。
        (3)硝化作用是高寒草甸N2O 产生的主要生物学过程。放牧通过影响植物生物量和土壤理化性质,间接影响土壤N2O 的产生(p<0.05),且植物地上生物量对N2O 的影响高于土壤的影响;功能基因AOA 和AOB 对N2O 的影响作用偏弱;植物和土壤对硝化过程中微生物功能基因AOA 和AOB 的数量无影响,植物与土壤之间呈现显著的正相关关系(p<0.05),放牧对植物和土壤均产生负面的影响。
        (4)在反硝化过程中,放牧通过植物,土壤及其功能基因nirK,nirS,nosZ 共同影响N2O 排放速率,统计分析表明nosZ 对N2O 的影响显著强于nirK 和nirS的影响。土壤与功能基因nirK,nirS,nosZ 的数量呈现显著的负相关关系,而植物与功能基因nirK,nirS,nosZ 的数量为正相关关系; 亚硝酸盐还原酶基因(nirK,nirS)、nosZ 与N2O 之间为正相关关系,植物与土壤之间呈现显著的正相关关系(p<0.05),放牧对植物和土壤均产生负面的影响。
        (5)高寒草甸N2O 年均排放速率为38.4±3.3 μg m-2 h-1,十年间N2O 排放速率的年际动态特征呈现下降的趋势;生长季N2O 排放速率(49.9±3.5 μg m-2 h-1)显著高于休眠季的排放速率(27.0±4.9 μg m-2 h-1)(p<0.05);影响高寒草甸N2O 排放的主要环境因子是地上生物量和温度(气温和5cm 的土壤温度),降雨对N2O 排放速率影响较弱。
Document Type学位论文
Identifierhttp://210.75.249.4/handle/363003/13372
Collection中国科学院西北高原生物研究所
Affiliation中国科学院西北高原生物研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
曹莹芳. 放牧高寒草甸氧化亚氮排放特征及其影响因子[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2018.
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