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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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增温对大兴安岭多年冻土区泥炭地土壤微生物的影响研究

任久生  
【摘要】:北方中高纬泥炭地是最脆弱的土壤碳库之一,其碳储量约为全球土壤碳库的1/3,同时其也是气候变化敏感区,气候变暖将加速多年冻土区的退化,这将导致北方中高纬泥炭地释放更多CH_4和CO_2并反馈于气候变暖,但关于其反馈机制和响应程度仍需进一步探索。中高纬地区约25%的碳排放是由土壤微生物代谢产生的,而甲烷的排放是由厌氧产甲烷菌和甲烷氧化菌共同代谢调节的。同时,土壤微生物对气候变化响应更加敏感和快速,探究中高纬泥炭地土壤微生物对气候变暖的响应能揭示其内在反馈机制,有助于预测未来反馈方向。因此,本研究选取大兴安岭连续多年冻土区泥炭地为研究对象,探究增温和冻融格局变化对土壤细菌、产甲烷菌和甲烷氧化菌菌群数量和结构组成的影响,并分析了土壤微生物菌群数量和群落结构的变化对土壤碳排放的潜在影响,揭示连续多年冻土区泥炭地对气候变暖反馈的微生物学机制。本研究主要取得以下几个结论:(1)在增温背景下,多年冻土区表层(0-10 cm)和深层(10-20 cm)土壤温度分别平均增加了1.66℃和2.86℃。增温促进表层DOC的释放并增加了产甲烷菌、甲烷氧化菌菌群数量和mcrA基因的拷贝数,但未影响pmoA基因的拷贝数。增温未改变表层产甲烷菌的菌群结构组成,但增温使表层甲烷氧化菌由I型甲基杆菌科(Methylobacteriaceae)转变为II型甲基孢囊菌科(Methylocystaceae),II型甲烷氧化菌甲烷亲和力低,这预示增温促进多年冻土区表层甲烷的产生。多年冻土区泥炭地土壤微生物多样性指数Ace和Chao1随增温降低,但土壤微生物群落结构组成未呈现明显规律性变化,同时增温对深层DOC含量、产甲烷菌、甲烷氧化菌菌群数量和土壤微生物的群落组成均没有显著影响,这表明连续多年冻土区泥炭地表层土壤微生物对增温具有一定适应性和抵抗力。(2)在厌氧背景下,10℃增温显著促进表层和中层泥炭土壤CO_2和CH_4的排放,而5℃增温未促进泥炭层土壤CO_2和CH_4的排放。增温未显著促进泥炭深层CO_2的排放,却抑制深层泥炭土壤CH_4的排放,而与10℃增温相比,5℃增温促进泥炭深层碳排放,在泥炭深层来源于难分解有机碳的DOC可能抑制CH_4的产生。5℃培养时泥炭表层甲烷浓度随时间先降低而后升高,而10℃和15℃时甲烷浓度呈升高趋势,这暗示低温时土壤微生物菌群结构变化需要更长时间。(3)在泥炭藓层,冻融格局的变化增加产甲烷菌和甲烷氧化菌的菌群数量,但未改变土壤细菌、产甲烷菌和甲烷氧化菌的菌群结构组成,这表明增温将使泥炭藓层释放更多的CO_2。在泥炭层,冻融格局的变化未改变土壤细菌、产甲烷菌和甲烷氧化菌的菌群数量,但却增加了部分酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、浮霉菌门(Planctomycetes)和绿湾菌门(Chloroflexi)细菌菌群丰度,这些菌群主要参与纤维素的降解,这表明泥炭层土壤融化后增强了难分解有机碳的分解能力。永冻层融化释放封存的CH_4气体,冻融格局变化未显著影响永冻层土壤微生物的菌群数量,但增加了部分酸杆菌门(Gp4和Gp6)和变形菌门的菌群丰度,而产甲烷菌的相对丰度呈下降趋势,这表明增温促进永冻层土壤中纤维素的降解但抑制产甲烷过程,永冻层融化后会分解更多难分解有机碳同时释放更多的CO_2。(4)在季节性冻土区,春季冻融作用增加了总细菌和产甲烷菌的菌群数量,而秋季冻融作用促进DOC的释放,且降低了总细菌和产甲烷菌的菌群数量。同时,秋季冻融作用能够创造厌氧和冷环境进而筛选出厌氧、耐寒和休眠相关的土壤微生物,秋季融化期酸杆菌门(Acidobacteria)和变形菌门的相对丰度呈升高趋势,而在冰冻阶段厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门细菌相对丰度呈升高趋势,这些菌群参与厌氧发酵过程,能为乙酸型产甲烷菌提供底物。在整个冻融时期,乙酸型产甲烷菌(Methanosarcinales)是产甲烷菌的优势菌群,秋季冻融作用能够促进CH_4气体的产生。底物和温度是影响土壤微生物菌群结构的最重要因子,这意味着冻融循环次数的增多会促进CH_4气体排放。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X144;S154.3

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