摘要
近年来，大气氮沉降在森林生态系统日益增加。陆地生态系统的氮输入不仅能够增加土壤氮含量，引起土壤酸化、硝酸盐的淋失和温室气体的排放，而且容易引起土壤磷元素的相对缺乏。作为生物的限制性营养元素，氮和磷对调控土壤微生物群落和功能起到重要作用。 土壤氮循环是一系列相互联系的由微生物驱动的网络过程，主要包括生物固氮、有机氮矿化、硝化和反硝化作用。中国温带和亚热带森林的气候条件和土壤养分状况差异显著，但是目前对于温带和亚热带森林土壤氮循环微生物的分布特征，以及外源氮、磷养分添加影响氮循环微生物的丰度、群落结构和潜在活性的机制并不明确。 本文以中国东部长白山温带森林和鼎湖山亚热带森林0-80cm土壤为研究对象，利用高通量测序技术测定氮循环微生物的结构，利用荧光定量PCR测定氮循环功能基因丰度。研究了参与氮循环四个主要过程的微生物在温带和亚热带森林土壤剖面的分布规律，及其应对土壤剖面能量和养分变化的适应策略。结果表明，氮循环功能基因的绝对丰度在两地都沿土壤剖面显著下降，但其相对丰度在温带和亚热带森林土壤剖面不同。在亚热带森林，土壤碳/氮比沿土壤剖面降低，依赖土壤碳含量并且向土壤供应速效氮的固氮和有机氮矿化微生物相对的丰度沿土壤剖面降低，而消耗土壤铵态氮的自养氨氧化微生物相对丰度逐渐增高（由20％增加至58％）。这一分布规律体现出不同功能的氮循环微生物在适应土壤剖面养分化学计量比变化中的不同作用。而受温带森林土壤氮含量的限制，固氮基因的相对丰度始终在剖面中占据主导地位(＞60％)。微生物的氮存储潜力在两地的下层土壤低于上层土壤，在亚热带森林土壤低于温带森林土壤;而硝酸根淋失潜力在下层高于上层土壤，在亚热带森林土壤高于温带森林土壤。相对于磷，土壤氮的富集程度是氮循环微生物调节其氮储存和硝酸根淋失潜力的主要因素。土壤循环微生物的多样性和群落结构在表层和下层土壤中不同，具有同样功能的氮循环微生物的不同类群占据不同的土壤剖面生态位。 本研究还测定了外源氮、磷添加对温带和亚热带森林土壤氮循环四个主要过程（自由固氮、有机质矿化、硝化和反硝化）微生物活性变化的影响，以及相应功能基因的丰度、群落结构和土壤理化性质的变化。结果表明，在亚热带森林外源氮、磷添加影响下，引起土壤硝化、反硝化、自由固氮和有机氮矿化微生物活性变化的主要因素是土壤磷的有效性。而温带森林中促使各过程土壤微生物活性改变的因素并不统一，硝化、反硝化、自由固氮和有机氮矿化微生物活性变化的最佳解释变量分别是土壤铵态氮含量（解释59.1％）、土壤pH（解释70.5％）、固氮基因nifH的丰度（解释58.5％）和土壤有效氮/有效磷比（解释71.0％）。 外源氮、磷添加后，土壤氮循环微生物在功能基因丰度和潜在活性水平体现出适应机制。为了适应外源氮输入的影响，氮循环微生物在温带和亚热带森林土壤增加了硝酸根淋失的可能性;为了适应外源磷输入的影响，微生物在两地以不同的机制促进了氮循环过程的酶活性。在亚热带森林通过满足微生物对磷的生理需求促进各氮循环过程微生物活性;在温带森林一方面通过促进有机氮矿化，为硝化作用提供底物铵态氮从而提高硝化潜势，另一方面外源磷添加通过提高土壤pH，进而提高了反硝化潜势。
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