金雪蓮 姚槐應 樊昊心

摘要：硝化作用是土壤氮循環(huán)的核心環(huán)節(jié)，在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中直接影響肥料的使用效率。溫度是影響硝化作用的主要因素。全球變暖造成的影響不斷加深，清晰認識土壤硝化作用的溫度變化響應特征對預測全球變暖背景下土壤生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素循環(huán)具有重要的指導意義。從土壤硝化速率溫度響應特征、硝化微生物活性、群落結構的溫度響應、潛在機制、土壤硝化作用溫度響應的不確定性等方面對土壤硝化作用的溫度響應的研究現(xiàn)狀進行分析和總結。后續(xù)研究可從以下幾個方面進行：（1）探索硝化微生物和硝化作用的熱適應性及其機制;（2）探索復雜環(huán)境因子氣候變化因子對土壤硝化作用溫度響應特征的影響;（3）在大尺度范圍內(nèi)建立土壤硝化作用的溫度響應與硝化微生物的群落特征的聯(lián)系，同時引入模型評估硝化微生物N2O排放對全球變暖的反饋作用，進而預測氣候變化趨勢。

關鍵詞：硝化作用;溫度;氨氧化古菌;氨氧化細菌;N2O;全球變暖

中圖分類號：S154?? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）20-0008-09

氮循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)生物化學循環(huán)的核心過程之一，而硝化作用是土壤氮循環(huán)的核心環(huán)節(jié)，在一定程度上能夠限制生態(tài)系統(tǒng)中其他氮循環(huán)過程的發(fā)生[1]。硝化作用是微生物將氨氮氧化成亞硝態(tài)氮，再進一步氧化為硝態(tài)氮的過程。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，硝化作用決定著土壤氮素的有效性和其損失。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，2018年我國化肥使用量為5 675萬t，大量的銨態(tài)氮經(jīng)過硝化作用形成硝態(tài)氮，而帶有負電荷的硝態(tài)氮不易被土壤吸附，且流動性較高，容易受淋溶和反硝化作用的影響從土壤中淋失，繼而造成地表及地下水的污染[2]。此外，硝化作用的副產(chǎn)物N2O是造成全球變暖的三大溫室氣體之一，有證據(jù)表明由硝化作用產(chǎn)生的N2O排放量占土壤N2O總排放量的80%[3-7]。因此，硝化作用具有重要的農(nóng)業(yè)和環(huán)境效應，一直是研究的熱點。

硝化作用主要由微生物驅動，可分為異養(yǎng)硝化和自養(yǎng)硝化2種類型，其中自養(yǎng)硝化在眾多生境中起主導作用[3]。傳統(tǒng)的自養(yǎng)硝化過程分為2步，第一步是由氨氧化微生物氨氧化古菌（AOA）、氨氧化細菌（AOB）完成的氨氧化作用，即將NH+4氧化成NO-2;第二步是由亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）完成的亞硝酸鹽氧化，即將NO-2氧化成NO-3[8]。此外，2015年從深油井和水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)富集得到的完全氨氧化細菌（comammox），具有將氨氧化成亞硝酸最終形成硝酸鹽所需的全部酶，可以單獨將NH+4氧化成NO-3，這一發(fā)現(xiàn)從根本上改變了學術界對硝化作用的認識[9-11]。由于完全氨氧化細菌的研究尚處于起步階段，其在硝化作用中的貢獻和與傳統(tǒng)硝化微生物生態(tài)位的分異還有待研究，本文對此不作重點討論。氨氧化作用是傳統(tǒng)硝化過程中的限速步驟，AOA和AOB是氨氧化過程的關鍵驅動者[12]。本文所述硝化微生物特指氨氧化微生物，討論將主要圍繞AOA和AOB展開。盡管AOA和AOB使用相同底物用于能量代謝，但它們的生理生化特性方面存在明顯的差異，這些差異主要體現(xiàn)在溫度的敏感性[13]、底物的親和性[14-15]、生長pH值偏好[2，3，12，16]等，這些差異直接決定了AOA和AOB在環(huán)境中生態(tài)位的分異及硝化作用的強度。

溫度是影響微生物生長和功能活性的關鍵因子，可以直接影響硝化微生物相關酶活性，或間接影響環(huán)境中基質的可利用性和硝化生物的群落結構從而改變環(huán)境中的硝化速率[13]。一些研究表明硝化速率隨著溫度的升高而提高[17-18]，另一些學者則發(fā)現(xiàn)溫度和硝化速率之間沒有明顯的相關性[19-21]。純培養(yǎng)研究清楚地證實了AOA和AOB的最佳生長溫度范圍有顯著的差異[22-23]。有報道指出AOA和AOB全球分布模式與溫度密切相關[24]。然而，在局部范圍內(nèi)相關研究發(fā)現(xiàn)只有AOA群落結構對溫度的升高有明顯的響應，AOB的群落結構則保持穩(wěn)定[25]。千差萬別的結果制約著人們對土壤硝化作用的溫度響應模式的認識。清晰認識土壤硝化作用的溫度變化響應特征，對高度集約化農(nóng)業(yè)管理條件下選擇施肥時機、控制氮肥的損失、繼發(fā)的環(huán)境效應，以及在全球變暖影響不斷加深背景下，認識土壤生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素循環(huán)、環(huán)境變化及了解相互作用過程都具有重要的指導意義。

本文梳理了現(xiàn)有硝化作用對溫度響應的主要研究進展，系統(tǒng)闡述了土壤硝化速率、硝化微生物、土壤硝化微生物群落結構對溫度的響應特征，分析潛在的微生物生理生態(tài)學機制，并指出未來的重點研究方向，以期為預測氣候變化條件下硝化作用、氮循環(huán)的響應趨勢、制定可持續(xù)性的農(nóng)業(yè)管理政策提供理論依據(jù)。

1 土壤硝化速率的溫度響應

硝化作用實質上是由一系列酶促反應構成的，其速率會受到溫度的制約。溫度升高可以有效增加酶促反應的速度，直到反應速度達到最大值。另一方面，酶的化學本質是蛋白質，溫度過高將引起蛋白質變性，導致酶失活。因此，當反應速度達到最大值后，溫度的升高導致蛋白質變性，微生物因此開始死亡，生長及反應速率開始逐漸下降，直到完全停止。表征微生物生長或功能特性對溫度響應的直接參數(shù)通常是3個基本溫度：最低溫度（Tmin）、最適溫度（Topt）、最高溫（Tmax）。通常，在一系列溫度下測定微生物的生長或功能特性，然后利用Ratkowsky平方根模型（SQRT）[13]、阿倫尼烏斯公式（Arrhenius）[26]、大分子速率（MMRT）[27]等模型可以獲得這3個基本溫度。此外，生物過程的溫度敏感性（Q10），即溫度每增加10 ℃時反應過程速率所增加的倍數(shù)，也普遍用來評估生物過程對溫度變化的響應趨勢。

據(jù)文獻記載，1925年就有研究者開始了對土壤硝化作用溫度響應的研究，早期的工作主要圍繞土壤硝化速率的最適溫度展開。硝化作用的最適溫度指硝化速率達到最大值時的環(huán)境溫度。Mahendrappa等比較了20、25、35、40 ℃條件下不同土壤中的硝化速率，發(fā)現(xiàn)硝化速率的最適溫度與所處氣候區(qū)有關，如美國南部土壤的硝化速率在35 ℃時最快，美國北部土壤的硝化速率則在20、25 ℃時最快[28];Mahli等也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，來自于熱帶、溫帶、北極圈內(nèi)的土壤硝化作用的最適溫度分別為35、30、20 ℃[29];Stark引入阿倫尼烏斯公式及泊松分布的概率密度函數(shù)等公式，更加精確地評估了土壤硝化作用的最適溫度[26]。在此基礎上，Stark等發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域硝化作用最適溫度與一年中某一時期的溫度有關，而與年均溫度無關;例如，橡樹下土壤硝化作用的最適溫度為31.8 ℃，而相鄰的露天環(huán)境下土壤硝化作用最適溫度則為35.9 ℃[30]。Ouyang等利用泊松分布的概率密度函數(shù)公式評估了不同處理的農(nóng)業(yè)土壤中硝化潛勢對應的最適溫度，與對照（35 ℃）相比化肥處理降低了土壤中硝化潛勢對應的最適溫度（32 ℃），而有機肥處理土壤卻沒有變化[31]。土壤硝化作用的最適溫度和溫度敏感性實質上是硝化微生物群落對環(huán)境溫度的響應，有著深厚的微生物生理學和生態(tài)學的基礎。隨著硝化微生物生理學和分子生態(tài)學的發(fā)展，人們逐漸認識到AOA和AOB在生理生化、生態(tài)位及其對硝化作用貢獻的差異[2-3，12-13，32]。因此，土壤硝化作用的溫度響應與硝化微生物的群落結構息息相關。

2 氨氧化微生物的溫度適應性

研究者通過分離富集的途徑分析了AOA和AOB的最適生長溫度，發(fā)現(xiàn)AOB可能更適應中低溫的環(huán)境，而AOA則主導了高溫環(huán)境中的氨氧化作用。如表1所示，目前發(fā)現(xiàn)的AOB都屬于中低溫菌，生長溫度普遍低于33 ℃[33-35];Jones等發(fā)現(xiàn)Nitrosomonas cryotolerans可以在4～5 ℃的溫度下生長[36];在農(nóng)業(yè)土壤中歐洲亞硝化毛桿菌（Nitrosomonas europaea）及亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）甚至可以在0～3 ℃生長[37-38]。迄今為止還未發(fā)現(xiàn)可在溫度高于40 ℃的環(huán)境中存在的AOB[22]。相比而言，AOA的生長溫度跨度較大，在0.2～97 ℃的生境中都可以檢測到AOA的存在[39-42]。例如，在農(nóng)業(yè)土壤中富集得到的AOA Candidatus Nitrososphaera sp. JG1、Nitrosotalea devanaterra、Nitrososphaera viennensis的最適生長溫度為35～40 ℃[43-46]。此外，海洋環(huán)境中的常溫AOA的特異性生物標記物完整極性膜脂也存在于高溫泉中[47-48]，表明有些AOA可能對溫度具有較強的耐受性。Taylor等在4～42 ℃溫度范圍內(nèi)對美國俄勒岡州不同氣候區(qū)土壤中AOA、AOB主導的硝化潛勢的溫度響應進行了評估，并利用SQRT和MMRT模型進行建模，同時量化了AOA和AOB的熱力學響應;建模數(shù)據(jù)表明，AOA和AOB主導的硝化潛勢的最佳溫度存在顯著差異，其中AOA主導的硝化勢最適溫度比AOB的高12 ℃[13]。Ouyang等在美國猶他州的農(nóng)業(yè)土壤中則發(fā)現(xiàn)，AOA主導的硝化勢最適溫度比AOB主導的高10 ℃[31]。AOA和AOB生長/氨氧化的溫度敏感性也有顯著差異，AOB的Q10為1.7～27[30-31]，而AOA的Q10則大于5.0，表明AOA對溫度的響應比AOB敏感。然而，Duan等卻發(fā)現(xiàn)在長期施肥的菜園土里，AOA的Q10比AOB的低[49]。

筆者分析AOA、AOB的生長、氨氧化活性的最適溫度和溫度敏感性可能由以下因素決定：（1）AOA、AOB所處生境的環(huán)境溫度。從進化的角度來看，在長期的環(huán)境溫度選擇下，微生物能夠改變自身生理和遺傳特性，產(chǎn)生不同活性的同工酶，從而使生物酶的催化效率在環(huán)境溫度下達到最優(yōu)。Jiang等在研究4株亞硝化螺菌（Nitrospira）時發(fā)現(xiàn)，分離自挪威的菌株的最適生長溫度為26～29 ℃，而分離自贊比亞的菌株的最適生長溫度則為31～33 ℃[38]。然而，Alves等以在北極土壤中富集到的1株新型AOA（Candidatus Nitrosocosmicus arcticus strain Kfb）為研究對象，發(fā)現(xiàn)其氨氧化的最佳溫度為20～28 ℃，遠高于其分離環(huán)境北極的平均溫度（13～14 ℃）;由此可見，環(huán)境溫度并不是唯一的決定因素[50-51]。（2）微生物特異性的細胞結構。AOA廣泛的溫度耐受范圍與其細胞膜特殊的甘油醚脂結構有關，這種特殊的結構使得AOA在一些極端的溫度環(huán)境中有明顯的競爭優(yōu)勢，從而可主導這些生境中的氨氧化反應[52]。（3）AOA、AOB氨氧化過程代謝機制及酶的差異;盡管AOA、AOB都利用氨分子作為能量代謝的底物，它們的氨氧化機制卻明顯不同。在AOB氨氧化過程中，氨分子首先在氨單加氧酶（ammonia monooxygenase，簡稱AMO）的作用下氧化成羥胺，再由羥胺氧化還原酶（hydroxylamine oxidoreductase，簡稱HAO）氧化成亞硝酸。羥胺氧化釋放的4個電子由細胞色素c554轉運給輔酶Q，隨后其中的2個電子再回傳到氨單加氧酶，用于啟動氨氧化反應，另外2個電子則沿著電子鏈繼續(xù)移動[53-54]。AOA氨氧化的具體機制還不明確，AOA、AOB的氨單加氧酶的氨基酸相似性僅40%，在AOA中沒有找到HAO的編碼基因，并且除羥胺外NO也是AOA氨氧化過程中重要的中間產(chǎn)物[53-55]。一般來講，酶促反應的步驟越多，所需要的活化能也越高，對溫度的響應也越強烈。所以，不同的氨氧化機制可能也決定了AOA和AOB氨氧化過程的溫度敏感性。在Taylor等的試驗中，通過MMRT模型建模進一步發(fā)現(xiàn)，在AOA群落中存在2種活性不同的AOA的 AMO， 在不同的溫度范圍對溫度的響應不同，這種現(xiàn)象卻沒有在AOB群落中發(fā)現(xiàn)。此外，還發(fā)現(xiàn)AOB的AMO比AOA的AMO表現(xiàn)出更大的負熱容值（ΔCp），暗示AOB的AMO的活性部位的柔性有所差異，具有與AOA的AMO不同的熱力學特性[13]。

3 氨氧化微生物豐度和群落對溫度的響應

AOA和AOB不同的熱力學性質決定了它們受溫度變化的影響不同，不同氨氧化微生物群落結構則會直接影響其對環(huán)境溫度變化的適應性[65-66]。例如，Osborne等對科羅拉多河流域3個高海拔棲息地的土壤（冰川、巖屑、草甸）進行了調查，發(fā)現(xiàn)原位溫度變化范圍大的土壤有豐富的氨氧化微生物群落;在溫度變化范圍穩(wěn)定的土壤中，存在較為單一的氨氧化微生物群落[21]?？偟膩碚f，在全球變暖背景下，適應性低的氨氧化微生物的生態(tài)位將逐步被競爭力更強的氨氧化微生物占領，從而使整個氨氧化微生物群落結構發(fā)生變化。同時，微生物群落也能通過積累和擴散（基因的水平轉移）來適應高溫環(huán)境的基因突變從而提高整個群落的適應性。因此，當環(huán)境溫度升高后，土壤微生物群落很可能會向更適應高溫環(huán)境的微生物群落轉變。有研究表明，AOA豐度和群落結構對溫度較為敏感。Tourna等發(fā)現(xiàn)，在不同溫度（10～30 ℃）培養(yǎng)條件下，AOA的16S rRNA和amoA基因的變性梯度凝膠電泳（DGGE）獲得的分子指紋圖譜發(fā)生了明顯的變化，而AOB的群落結構卻保持不變[65]。Taylor等發(fā)現(xiàn)當夏末秋初環(huán)境溫度達到30～35 ℃時，AOA的豐度和活性明顯升高[67]。Lu等對來自不同土地利用方式和深度的土壤在不同溫度（20、30、40 ℃）下進行培養(yǎng)，表層土壤（0～15 cm）的氨氧化潛勢明顯高于亞表層土壤（30～45 cm），并且在夏季、秋季的高溫中土壤硝化勢是由AOA主導的[68]。Szukics等則發(fā)現(xiàn)在土壤空隙含水量（WFPS）為70%時，AOB的豐度隨著溫度的升高而升高，而AOA的豐度則呈下降趨勢;但在群落結構方面，AOA的群落結構隨著溫度的升高迅速做出響應，而AOB的群落結構在5周后才體現(xiàn)出明顯的變化[66]。近年來，研究者利用穩(wěn)定性同位素技術分子生態(tài)學分析方法，為氨氧化微生物群落結構對溫度的響應提供了更為直接的證據(jù)。Zhang等采用13CO2-DNA-穩(wěn)定同位素標記，比較了1種酸性水稻土在15、20 ℃等2種溫度下的活性氨氧化微生物群落，試驗表明AOA和AOB均參與了硝化過程;在 20 ℃ 時，AOA群落有明顯的變化，AOB群落則保持穩(wěn)定;當溫度為15～20 ℃時，活性氨氧化微生物由AOA向AOB轉變[25]。溫度的升高改變了AOA和AOB的相對豐度，以及AOA和NOB的群落組成從而提高了系統(tǒng)的硝化速率。由于土壤微生物群落極端復雜，以往的文獻并沒有就溫度對硝化微生物的影響機制達成一致結論。

土壤硝化微生物群落結構對溫度的響應也將直接影響環(huán)境中N2O的排放。土壤硝化作用可以通過直接和間接2種方式影響N2O的排放[16]。一方面，硝化微生物為反硝化微生物提供底物NO-2和NO-3，通過反硝化途徑被還原為N2O或N2;另一方面，氨氧化過程中可以直接產(chǎn)生N2O。盡管氨氧化過程中N2O的產(chǎn)生機制還不明確，但現(xiàn)有證據(jù)表明AOA和AOB的氨氧化過程中N2O的產(chǎn)生機制有明顯不同。AOB可以通過不完全的羥胺氧化反應[69-70]和硝化反硝化過程產(chǎn)生N2O[16，71]。相反，目前沒有在AOA基因組中發(fā)現(xiàn)與N2O生成相關的酶，有研究者推測AOA氨氧化過程中N2O的形成主要是通過非生物過程，即羥胺和NO-2的化學降解生成[53，63]。研究者通常利用N2O和NO-x的比值來定量氨氧化過程中N2O的產(chǎn)量。AOB菌株的N2O的產(chǎn)量為0.1%～8.0%，受到氨氮和氧氣濃度的影響[38，72-74]。AOA培養(yǎng)物的N2O產(chǎn)量遠低于AOB，僅為0.04%～0.30%，受氨氮和氧氣濃度的影響較小[57-58，63，73，75-76]。研究者利用選擇性的硝化抑制劑[如辛炔和2-苯基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-3氧代-1-氧（PTIO）]區(qū)分了土壤氨氧化過程中AOA和AOB對N2O產(chǎn)量的貢獻，得出了與純培養(yǎng)、富集物中類似的結論[16];當體系中AOB的生態(tài)位占據(jù)優(yōu)勢時，直接導致了N2O產(chǎn)量的增加，反之亦然[49，77-79]。然而，在全球變暖的背景下，硝化作用產(chǎn)生的N2O對氣候的反饋作用目前還不明確。一方面，溫度的升高能顯著增加酶促和化學反應速率，增加N2O的釋放量;另一方面，溫度引起的硝化微生物群落的變化也將影響N2O的產(chǎn)量;如果隨著溫度的升高，氨氧化微生物群落中AOB的生態(tài)位逐漸被AOA取代，N2O產(chǎn)量將可能顯著降低，這有可能直接抵消升溫引起的N2O的增排。此外，在微生物呼吸中，研究者觀察到了熱適應性，即在氣候變暖后土壤微生物通過降低生理活性以提高在高溫環(huán)境中的適應性，從而減緩土壤呼吸量的升高[80]。這種現(xiàn)象是否也在硝化微生物中存在還是未知。并且許多能夠影響土壤硝化微生物群落結構的溫度響應的環(huán)境因子較多。未來的研究還需要更深入更精確，以期能夠解答此類問題。

4 土壤硝化作用對溫度響應的不確定性

土壤微生物硝化作用溫度響應不僅與硝化微生物內(nèi)在的活性有關，還可能與溫度變化引起的各類間接因素相關[3，81]。溫度的變化既可以對土壤硝化微生物群落產(chǎn)生直接效應，還可以通過改變土壤性質、水分、底物的可利用性及其他生物過程等方式間接地影響土壤硝化微生物群落及其活性，具體方式如下：（1）溫度與土壤pH值之間的互作。溫度的升高會加快土壤硝化作用同時加速土壤酸化，pH值是影響AOA、AOB生態(tài)位分異的重要因素，同時pH值的降低會影響環(huán)境中的氨分子的可利用性[15，82]。Gubry-Rangin等發(fā)現(xiàn)AOA群落的溫度響應依賴于土壤pH值，酸性土壤中AOA的最適溫度明顯低于中性土壤中的AOA[23]。（2）溫度改變導致土壤中水分含量變化，直接影響土壤的呼吸速率、氧氣擴散及團聚體結構[3]。Grundmann等發(fā)現(xiàn)土壤硝化速率與含水量呈現(xiàn)負相關關系，并且不同溫度下硝化作用的最適含水率也具有顯著差異[18]。Avrahami等發(fā)現(xiàn)加利福尼亞草地土壤硝化潛勢和AOB群落結構受到溫度、土壤含水率、肥料相互作用的影響。隨著土壤含水量、溫度的升高，硝化活性升高，亞硝化螺菌（Nitrosospira sp. AF-like）相對豐度降低[83]。（3）溫度變化會影響氮轉化過程的速率及各過程間的相互作用。溫度升高導致土壤礦化作用的變化，直接影響了土壤中有機氮庫向無機氮庫的轉化率，從而間接影響到土壤中氨氧化微生物作用底物銨氮庫的濃度。例如，模擬增溫顯著增加了土壤中有效氮含量和氮素的礦化速率[84]。Lan等研究了2種水稻土，隨著培養(yǎng)溫度的升高，供試土壤的總氮轉化速率和凈氮轉化速率均有所增加[85]。然而，不同的氮轉化過程的溫度敏感性有所不同。在低溫（<15 ℃）下，與礦化作用相比，氮的固定作用和硝化作用對溫度更敏感。但供試土壤的總氮轉化速率的最適溫度是25 ℃。Wang等發(fā)現(xiàn)在草地系統(tǒng)中，2 ℃的升溫通過刺激土壤有機氮的礦化作用刺激AOB的生長[86]。還有研究表明礦化作用會刺激部分AOA的生長[87-88]。

5 結論與展望

在全球變暖背景下，土壤硝化作用的溫度響應作為評價陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變暖反饋作用的一個潛在指標應該受到生態(tài)學家們的廣泛關注。本文從土壤硝化速率溫度響應、硝化微生物群落結構及活性的溫度響應、其潛在機制和土壤硝化作用不確定性等方面對土壤硝化作用的溫度響應的研究現(xiàn)狀進行了總結和分析。本文認為土壤硝化作用的溫度響應是硝化微生物在群落尺度上適應性的體現(xiàn)，建立在微生物生理學和生態(tài)學的理論之上。針對土壤硝化微生物菌株和復雜的土壤硝化微生物群落，研究者們在實驗室培養(yǎng)或微宇宙培養(yǎng)等試驗中評估了土壤硝化作用及硝化微生物的溫度響應及其影響因素。今后的研究應該從硝化微生物及其群落生理和生態(tài)學調查轉向更加深入的討論，以下方面應成為今后的研究重點。

（1）須要進一步加強對土壤硝化微生物氨氧化機制及硝化微生物間的互作研究。目前AOA及新發(fā)現(xiàn)的comammox的氨氧化機制和N2O的產(chǎn)生機制尚不清晰;盡管氨氧化是傳統(tǒng)硝化過程中的限速步驟，但氨氧化微生物、亞硝酸氧化微生物間的相互作用對硝化作用的影響也不容忽視。上述2個方面內(nèi)容決定了硝化微生物的熱力學特性及氣候變暖條件下它們可適應的時間與環(huán)境中的硝化作用強度，這些對預測土壤硝化作用未來的變化趨勢至關重要。

（2）探究硝化微生物的熱適應性及其機制。短期來看，全球變暖能顯著增加土壤中的酶促反應速率，加快土壤微生物的硝化作用。不過，長期來看，土壤微生物群落會改變其生理特征或通過基因型的改變來適應溫度的變化[89]。目前，微生物熱適應性的進化研究主要集中在微生物呼吸的熱適應性方面。硝化微生物的熱適應性相關的研究很少，應從種群尺度到群落尺度對硝化微生物的熱適應性進行系統(tǒng)研究，對硝化微生物能否適應高溫和如何適應高溫等問題進行探討。

（3）探索復雜環(huán)境因子、氣候變化因子對土壤硝化作用溫度響應特征的影響;在土壤群落水平上探究溫度對生物過程的影響，及其對全球變暖的反饋作用就是一個生物和非生物因素相互影響的復雜過程，在硝化微生物的生理學和生態(tài)學的理論基礎上，須要更加系統(tǒng)地研究環(huán)境、氣候因子間的相互作用對硝化作用溫度響應特征的影響。

（4）在大尺度范圍內(nèi)建立土壤硝化作用的溫度響應與硝化微生物的群落特征的聯(lián)系，同時引入模型評估硝化微生物N2O排放對全球變暖的反饋作用，進而預測未來氣候變化的趨勢。

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