外源氮输入对喀斯特草地生态系统土壤有机碳矿化激发效应的影响及其机理

The restoration and stability of karst ecosystem is depended on the accumulation of soil organic carbon (SOC). Exogenous nitrogen input can stimulate the productivity of karst ecosystem, and this can induce the priming effect of SOC mineralization (PE), which can affect the accumulation of SOC. However, the direction and intensity of the effect, and the underlying microbial mechanisms are still not well understood. In the proposed project, we quantify the effects of two nitrogen (N) input strategies (elevated atmospheric N deposition and introduction of N-fixing plants,) and two types of exogenous litter addition (Imperata cylindrical and Microstegium vagans, the C:N is different) on PE in karst grassland ecosystem which is typical N limited system. Additionally, we explore the underlying microbial mechanisms by tracing the 13C allocation in different PLFAs. The results contribute to forecast the change of SOC accumulation in karst grassland ecosystem, and the potential succession direction; and can provide scientific basis for the karst ecosystem recovery and improve the stability of karst restoration zone by enhancing soil utilization and management to increase soil organic carbon accumulation.

喀斯特生态系统恢复及其稳定性有赖于土壤有机碳的积累。外源氮输入在促进喀斯特生态系统生产力的过程中，势必会诱导土壤有机碳矿化激发效应的发生，影响土壤有机碳的积累，但其方向和强度以及内在的微生物驱动机制并不明确。为此，本项目以典型的氮素限制喀斯特草地生态系统为研究对象，基于模拟氮沉降和固氮植物引种两种氮输入方式，以13C标记的两种主要优势物种白茅（C4植物）和蔓生莠竹（C3植物）为外源凋落物，应用13C示踪和PLFA生物标记物相结合的技术，量化不同氮输入方式和量以及凋落物质量对喀斯特草地生态系统土壤有机碳矿化激发效应的影响及其微生物机制。研究结果将有助于预测在氮输入增加背景下喀斯特草地生态系统土壤有机碳积累的变化趋势及可能的演替方向，有助于通过增强土壤利用与管理来增加土壤有机碳的积累，为喀斯特生态系统恢复和提高恢复区系统稳定性提供理论依据和科技支撑。

喀斯特生态系统恢复及其稳定性有赖于土壤有机碳的积累。外源氮输入在促进喀斯特生态系统生产力的过程中，势必会诱导土壤有机碳矿化激发效应的发生，影响土壤有机碳的积累，但其方向和强度以及内在的微生物驱动机制并不明确。为此，本项目以典型的氮素限制喀斯特草地生态系统为研究对象，基于模拟氮沉降和固氮植物引种两种氮输入方式，通过添加13C标记的葡萄糖，研究不同氮输入方式和输入量对激发效应的影响；同时考虑喀斯特草地生态系统植物物种的多样性，选择白茅（C4植物）和鬼针草（C3植物）作为典型物种，研究不同凋落物质量对土壤有机碳矿化激发效应的影响；此外利用高通量方法测定外源碳氮输入对土壤微生物群落的影响。研究结果表明：1.氮添加改变了激发效应，且氮沉降的影响比固氮植物大；激发效应与脲酶活力呈显著负相关关系，这表明土壤氮素状况越好，其激发效应越低，更有利于土壤有机碳的固持；2.添加凋落物的C:N比值与其激发效应呈正相关关系，表明添加凋落物的质量越低其激发效应越大，且植物根的激发效应大于叶，然而目前在喀斯特地区的研究主要集中在叶凋落物，因此根系激发效应应该引起更多的关注；3.外源碳氮输入对土壤微生物群落产生一定的影响：氮添加细菌群落呈现出增加多样性和丰富度趋势，且固氮植物引种的影响大于氮沉降，氮添加对真菌群落的影响较小，仅有高密度深紫木蓝显著改变群落多样性；碳添加则是降低细菌群落多样性和丰富度，且C4植物的影响大于C3植物，碳添加对真菌群落多样性和均匀度影响不大，但呈现出增加其丰富度的趋势。此外本研究结果表明影响土壤细菌和真菌的群落的因子不同。