草地生态系统长期氮素添加对土壤呼吸的调节机制：土壤氮有效性与土壤酸化的相对作用

Nitrogen enrichment could alter the below-ground SOC cycling in grassland ecosystem via direct effect of nitrogen availability and indirect effect of soil acidification on biotic communities and SOC availability. However, the direct evidence of how soil acidification and nitrogen availability affect belowground carbon cycling via plant and soil microbial communities is less conducted. Here, using trenching and root excision methods, we separated soil respiration into three components (SOM-derived respiration and root respiration) in long-term nitrogen, and KNO3 addition experiments. Our objective in this proposal was to evaluate the plausibility of different mechanisms whereby the effects of soil acidification and nitrogen availability on the responses of soil respiration components to long-term nitrogen addition via effects on above-ground and below-ground communities, soil cations, N cycling, and their linkages to the below-ground carbon cycling. Specifically, we attempt to address three questions: (1) the responses of soil respiration components to nitrogen addition and acid addition gradient; (2) the responses of plant community, soil microbial community and enzyme activity, soil nitrogen cycling, soil cations, and SOC stability to nitrogen addition and acid addition gradient; and (3) the plausibility of different mechanisms whereby the effects of soil acidification and nitrogen availability on the responses of soil respiration components to long-term nitrogen addition.

基于干旱和半干旱天然草地中长期氮添加背景下土壤氮有效性和土壤酸化对碳循环调节机制研究不足的现状，本项目以干旱和半干旱天然草地长期(15年)多梯度氮素添加实验为平台，结合酸添加(土壤酸化)和硝酸钾添加(土壤氮有效性)补充实验，利用根系隔离+刈割法区分土壤呼吸的两个基本组分(有机质分解呼吸和根系呼吸)，从氮有效性增加和土壤酸化角度研究土壤呼吸对长期氮添加的响应机制：(1) 探测土壤呼吸及其组分(有机质分解呼吸和根系呼吸)对长期氮素添加、酸添加、硝酸钾添加的响应规律以及响应的异同；(2) 比较植物群落、微生物群落和酶活性、土壤有机质组分、土壤氮循环、土壤阳离子等对长期氮素添加、酸添加、硝酸钾添加的响应阈值和敏感性；(3) 联系植物、微生物和土壤等因子分析土壤呼吸及其组分对长期氮素添加的响应规律，探测土壤氮有效性和酸化对土壤呼吸调节的相对重要性，深化全球变化背景下草原生态系统C-N耦合机制的理解。

本项目依托在干旱半干旱草地上开展的氮素添加、土壤酸化、模拟降水以及多放牧梯度等实验平台，结合区域尺度样带调查数据，研究在多重人类活动干扰下草地土壤生物群落及其生态系统功能的响应机制。在项目实施的四年里，已开展大量的野外实验研究，部分研究成果已整理并发表在国际生态学主流刊物上，圆满完成课题研究计划，实现预期目标。在如下几个方面取得一定的突破：在植物功能群和碳输入影响土壤生物群落及其碳氮过程对氮添加响应的作用机制上，发现植物剔除对微生物优势种和稀有种的影响不依赖于不同氮添加梯度，以及土壤食物网及其生态系统功能与植物功能群存在特异性联系，证实植物不参与调节土壤生物群落结构对氮素添加的响应；在草地土壤酸化和养分添加对植物和土壤生物群落的作用机制上，发现土壤酸化弱化氮磷添加对植物和土壤生物群落的影响，揭示草地生态系统土壤酸化影响土壤呼吸及其组分的作用机制；在区域和生态系统尺度水分对土壤生物群落及其生态系统功能的作用机制上，发现基于物种水平土壤微生物对降雨响应差异进行划分的生态类型与生态系统功能关系紧密，区域尺度水分等气候因子对深层土壤食物网及其生态系统功能的影响比表层更加强烈；在区域和生态系统尺度放牧对土壤生物群落及其碳循环的作用机制上，发现草地土壤呼吸对水分和氮素添加的响应机制在不同放牧强度下不同，存在放牧梯度效应，强调区域尺度草地放牧弱化土壤食物网和生态系统功能的联系。依托项目支持，已在Global Change Biology (1)、Journal of Ecology (1)、Functional Ecology (3)、Soil Biology and Biochemistry (1)、Journal of Biogeography (1)、Plant and Soil (1)等国际生态学主流刊物上发表SCI论文9篇，成果作为在不同空间尺度上水分影响土壤食物网及其功能的直接案例以及氮沉降影响土壤食物网的直接证据被PNAS等主流杂志多次引用，构建的植物功能群丧失情境土壤食物网调控碳过程的机制框架被F1000推荐位为New Finding论文。