从组分水平揭示土壤呼吸对氮素添加的响应机制：以内蒙古典型羊草草原为例

土壤氮素借助其对植物生长和土壤过程的调节极大地干预了草地生态系统土壤呼吸和碳固持过程。然而目前有关土壤呼吸对氮素添加的响应存在较大争议，而相关响应机理迄今尚不清晰，究其原因主要是缺乏从组分水平来揭示这种响应机制。为此我们以中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的典型羊草草原长期梯度氮素添加试验为平台，利用根分离法和刈割法区分土壤呼吸的三个基本组分(群落水平根系呼吸、土壤有机质分解呼吸和根际微生物呼吸)，确定植物物种根系专性呼吸对群落根系呼吸的贡献；确定物种水平根系专性呼吸和土壤呼吸组分对氮素添加梯度响应的临界阈值和敏感程度；探讨土壤微生物群落结构与有机质分解呼吸和根际微生物呼吸的关联；并结合土壤理化性质等方面的测定，从组分水平揭示土壤呼吸对长期氮素添加的响应机制，从而深化人类活动引起的氮素增加的背景下草原生态系统的碳循环和碳固持潜力的认识，加强草原生态系统C-N耦合机制的理解。

本项目以蒙古高原温带草原作为完整的生态地理单元，结合氮素添加、水分添加、加酸和放牧等控制实验，采用样带调查和控制实验相结合的手段，研究草原草地土壤生物群落结构和多样性的格局、尺度特征及其在气候、土壤、养分、气候变化等综合影响下与草地生态系统功能(植物生产力、多样性和碳氮循环等)的联系。主要研究结果包括：(1) 草原生态系统土壤生物对气候变化的响应与生态系统多功能性之间的内在联系机制。长期氮添加实验发现氮添加通过增加植物地下根系生物量和专性根系呼吸增加根系呼吸组分；通过改变微生物群落结构和降低微生物生物量降低微生物呼吸；酸化通过改变土壤氮有效性和养分离子改变植物群落结构和增加根系生物量，从而增加根系呼吸；同时酸化改变土壤氮氢离子和养分离子抑制微生物主要功能群的生物量和酶活性，导致微生物分解有机质能力下降；酸添加降低草地群落植物多样性和生产力，增加土壤中铝离子同时降低土壤中钙、镁、钠等养分元素，植物多样性和生产力的降低受土壤氮循环的直接调控，土壤生物(微生物和线虫)主要是间接的调节作用，而铝离子并不是导致植物多样性和生产力降低的主要原因；(2) 放牧对草原地上和地下生态系统结构–功能联系的调控机制。放牧控制实验发现放牧对土壤氮矿化的影响主要受植物群落结构、土壤养分状况、土壤理化环境以及线虫群落结构共同调控；而放牧对草地系统的净初级生产力影响由土壤氮循环和理化环境直接决定的；(3) 蒙古高原区域尺度土壤生物和植物群落结构和多样性分布格局和控制机制。中蒙两条样带研究发现蒙古高原草地微生物群落空间分布格局变异主要由降水和土壤养分来解释, 而线虫群落主要被降水解释；降水添加控制实验进一步证实水分添加同时增加微生物和线虫生物量, 并且线虫比微生物对降水响应更加敏感；蒙古高原植物和土壤线虫的三个多样性组分(α-、β-和γ-多样性)与其对应的生产力呈现强烈的相关；等级结构方差模型表明气候和土壤养分解释大部分植物生产力变异，植物多样性组分不解释植物生产力的变异；然而土壤线虫生产力的变异主要由气候和多样性组分共同解释。在项目实施的三个年度里开展了大量的野外实验研究，部分数据已整理发表国际生态学主流刊物SCI论文4篇。圆满完成了课题计划任务书中规定的实验研究计划，实现了预期目标。