【摘要】：干旱、半干旱地區(qū)在地球陸地表面廣泛分布,由于這些地區(qū)自然條件嚴(yán)酷,植被生產(chǎn)力低下,一直被認(rèn)為是向大氣排放二氧化碳(CO_2)的源。而近年來全球范圍的研究已證實,干旱生態(tài)系統(tǒng)的土壤能夠固定大氣CO_2,這為探尋碳失匯(missingsink)問題提供了重要的線索。然而,目前的物理和化學(xué)過程并不能完全解釋該現(xiàn)象。本研究在已有研究基礎(chǔ)上,提出土壤固定大氣C02的微生物途徑假說,認(rèn)為土壤的某些微生物,能夠?qū)⒋髿釩O_2轉(zhuǎn)化為土壤有機碳和無機碳。為驗證該假設(shè),本研究以毛烏素沙地為研究區(qū),利用高通量測序、穩(wěn)定碳同位素示蹤、含碳礦物生成實驗、X射線衍射分析、掃描電鏡分析等技術(shù)手段,研究了沙地土壤中具有固碳功能的微生物類群,以及土壤微生物將大氣CO_2轉(zhuǎn)化為土壤有機碳和無機碳的具體途徑。主要研究結(jié)果及結(jié)論如下:(1)在毛烏素沙地土壤中檢測到了存在自養(yǎng)固碳基因的微生物,其中編碼還原檸檬酸循環(huán)的基因相對豐度最高。這些自養(yǎng)微生物隸屬于放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)等。通過穩(wěn)定碳同位素示蹤試驗,發(fā)現(xiàn)沙地土壤自養(yǎng)微生物可將大氣C02轉(zhuǎn)化為土壤有機碳。該途徑固定的大氣C02占土壤吸收大氣C02的3.85%。該自養(yǎng)固碳過程是沙地土壤吸收大氣C02的重要生物轉(zhuǎn)化機制。(2)毛烏素沙地土壤中不僅存在自養(yǎng)固碳微生物,也存在異養(yǎng)固碳途徑的微生物,且自養(yǎng)固碳微生物的數(shù)量要遠(yuǎn)多于異養(yǎng)固碳微生物。固碳微生物中只有很小一部分利用還原戊糖磷酸循環(huán)(主要為光合途徑)固碳,絕大部分通過非光合途徑固碳。這些固碳微生物能夠?qū)02轉(zhuǎn)化為土壤有機碳,且其固定C02的能力受固碳微生物中采用特定自養(yǎng)途徑和異養(yǎng)C02固定途徑的微生物組成的影響。(3)通過分離純化土壤中的微生物,得到的6種細(xì)菌(節(jié)細(xì)菌Arthrobactersp.、紅球菌Rhoadococcussp.等)以作為成核位點和提高溶液pH等方式誘導(dǎo)無機碳(碳酸鈣,主要形態(tài)為方解石和球霰石)形成。通過~(13)C02示蹤,證實了大氣C02參與了細(xì)菌形成含碳礦物的過程。(4)在~(13)CO_2環(huán)境中的培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn),~(13)C在微生物的作用下被吸收進入了土壤無機碳庫,且其轉(zhuǎn)化速率與土壤微生物群落組成及相關(guān)代謝過程相關(guān)。同時,在控制實驗條件下發(fā)現(xiàn)微生物群落能夠誘導(dǎo)形成無機碳(方解石、含碳硅鋁酸鹽)。通過該過程初步發(fā)現(xiàn)沙地土壤微生物能將大氣CO_2固存在土壤無機碳庫中。以上研究表明,大氣CO_2可經(jīng)固碳微生物同化為有機碳。沙地土壤微生物能夠?qū)⒋髿釩O_2封存在土壤無機碳庫中。本研究為深入認(rèn)識沙地土壤吸收大氣CO_2的現(xiàn)象提供了微生物途徑機制的解釋。沙地土壤固定大氣CO_2的微生物途徑很可能是沙地土壤碳庫形成和維持的重要機制,而如何在長時間尺度上確定微生物生成有機碳和形成無機碳的速率以及去向,以及將微生物形成含碳礦物的特性作為一種技術(shù)手段在防沙治沙中的應(yīng)用,仍需深入研究。
【圖文】：

２研究區(qū)概況逡逑本研宄在毛烏素沙地西南緣的寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究逡逑站站區(qū)內(nèi)開展（圖２．１）。研宄地地理坐標(biāo)為北緯３７°４２＇，東經(jīng)１０７°１３＇。站區(qū)內(nèi)平均海逡逑拔為１５０９邋ｍ。該研究區(qū)為典型溫帶大陸性氣候。該地區(qū)多年平均降雨量為２７５邋ｍｍ。逡逑受季風(fēng)的影響，研究區(qū)內(nèi)全年降水分布極度不均勻，月降水量差異較大，主要降雨事逡逑件發(fā)生在８？９月份。研宄區(qū)因為西北環(huán)流的原因，晝夜溫差大，光照充足，熱量適中，逡逑年平均溫度為７．６°Ｃ，無霜期達(dá)１２８天。主要風(fēng)向為西北風(fēng)，年平均風(fēng)速為２．８ｍ邋Ｗ。逡逑主要災(zāi)害天氣有干旱、沙暴、霜凍、大風(fēng)等。逡逑研宄區(qū)的主要土壤類型為風(fēng)沙土。土壤結(jié)構(gòu)性較差，但具有較高的鈣含量。研究逡逑區(qū)因為過度放牧的緣故，由干草原逐漸演變?yōu)榱魃车亍＃玻埃埃澳暌詠�，在站區(qū)內(nèi)實施了逡逑不同的植被恢復(fù)方式，包括撒播、人工扦插和自然封育等。目前主要建群物種為油蒿逡逑（ｄ＂ｅｗｋ／＿ａｏｒａ＾ｗ７ｃａ）、沙柳賴草等。此外，逡逑在固沙灌木林地中

４．１．１樣地選擇與樣品采集逡逑２０１６年８月，在研宄站區(qū)內(nèi)選擇圍封１０年以上且具有代表性植物種的區(qū)域，在逡逑其中選擇３個１００邋ｍ邋ｘ邋１00邋ｍ的樣地（圖４．１邋）。此處選取的樣地１、２、３分別為油蒿逡逑（Ａ邋ｏｎｆｏｓ／ｃａ）、沙柳（５１．邋ｐｓａｍｍｏｐＭａ）、賴草（Ｚ．邋ｓｅｃａ／ｉｎｗｓ）為優(yōu)勢植物種的樣地，逡逑樣地蓋度約為４０％、７０％、８５％。在每個樣地內(nèi)，隨機設(shè)置３個２０ｍ邋ｘ邋２０邋ｍ的樣方，逡逑各樣方間距為２０邋ｍ。在樣方內(nèi)采集土壤樣品。采集樣品前，去除土壤表層植物枯落逡逑物。在每個樣方內(nèi)隨機選擇１２個樣點，使用滅菌土鉆（直徑２．５邋ｃｍ）采集０？２０邋ｃｍ逡逑深度范圍內(nèi)的土壤，并將１２鉆土混勻以代表該樣方樣本，以避免土壤異質(zhì)性對數(shù)據(jù)逡逑可靠性的影響。將混合后的土壤過２邋ｍｍ篩以去除植物枯落物和根系，然后分為４份。逡逑第一份土壤樣品立即存儲在－７８°Ｃ條件下，，用于宏基因組測序。第二份用于實驗室內(nèi)逡逑的ｎＣ０２標(biāo)記培養(yǎng)實驗。第三份保存在４°Ｃ冰箱內(nèi)
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S154.3

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本文編號：2624621