西南喀斯特坡地不同利用方式土壤关键氮循环过程及其驱动机制

As one of the main limiting nutrients for plant growth and ecosystem productivity, a better knowledge of nitrogen (N) biogeochemical cycle and its driving mechanisms is of great significance for understanding ecosystem structure and function, as well as safeguarding environmental security. Owing to the special binary hydrogeological structure of karst landforms, there is often a rapid loss of soil N in slopeland when subjected to human disturbance. However, little is known about the main pathway, flux level, and main driving factors and the underlying mechanisms of soil N losses, since it is quite hard to monitor the underground loss processes. In this project, long-term monitoring of above- and underground processes of N losses will be conducted, based on a group of vegetation-soil-epikarst zone three-dimensional monitoring plots in karst slopeland, with the aim to ascertain the fate, critical pathway and flux level of N losses in karst slopeland under different land uses. Furthermore, a 15N stable isotope tracing method will be adopted to measure the soil gross N transformation rates, trying to elucidate the relationship between N losses and soil internal N cycling processes. In addition, a combination of use of PLFA, qPCR and Miseq high throughout sequencing technology attempts to uncover the microbiological mechanisms involved in N losses. Overall, the results of this project will contribute to a deeper comprehension of N biogeochemical cycle in karst areas, then enhance our ability to manipulate the N cycle in karst slopeland, and provide scientific basis for promoting regional sustainable development and strengthening regional ecological service function.

氮是生态系统主要的限制性元素，充分认识氮生物地化循环特征及其驱动机制对于理解生态系统结构与功能以及维护生态环境安全均有重要意义。受二元结构影响，人类活动干扰下喀斯特坡地土壤氮呈快速流失特征。然而，由于土壤-表层岩溶带的复杂性，导致目前对于氮流失的主要途径、通量水平及驱动机制等关键问题的认识尚很不足。项目依托喀斯特坡地植被-土壤-表层岩溶带三维水土过程观测平台，通过连续监测地表地下氮流失过程，明确不同利用方式下喀斯特坡地土壤氮流失特征，包括主要去向、关键途径及通量水平等；利用15N标记培养测定土壤氮总转化速率，阐明土壤内部氮转化过程与氮流失的耦合关系；利用PLFA、qPCR及Miseq高通量测序技术分析土壤微生物群落特征，深入揭示影响土壤氮流失的微生物机制。结果将有助于深入理解喀斯特生态系统氮生物地化循环特征，并能为喀斯特坡地氮循环调控、喀斯特坡地可持续利用及生态服务功能提升提供科技支撑。

氮是生态系统主要的限制性元素，充分认识氮生物地化循环特征及其驱动机制对于理解生态系统结构与功能以及维护生态环境安全均有重要意义。受二元结构影响，人类活动干扰下喀斯特坡地土壤氮呈快速流失特征。然而，由于土壤-表层岩溶带的复杂性，导致目前对于氮流失的主要途径、通量水平及驱动机制等关键问题的认识尚很不足。项目依托喀斯特坡地植被-土壤-表层岩溶带三维水土过程观测平台，通过连续监测地表地下氮流失过程，明确不同利用方式下喀斯特坡地土壤氮流失特征；利用15N标记培养测定土壤氮总转化速率；利用现代分子生物学技术分析土壤氮循环相关功能微生物及酶活性特征。结果表明，西南喀斯特坡地不同利用方式下土壤氮流失以硝态氮和可溶性有机氮为主，两者合计占到氮淋溶流失的92.6%。地表径流中硝态氮、可溶性有机氮以及铵态氮的含量显著高于壤中流和深层渗漏液。不同利用方式下土壤氮素主要流失形态不一，在玉米和牧草种植下土壤可溶性有机氮淋失要高于硝态氮，在自然恢复模式下土壤氮以硝态氮流失比重高于其他利用方式。不同利用方式下土壤氮初级转化速率存在差异，但湿季和干季特征不一。相比于湿季，干季土地利用方式对总矿化和总硝化速率的影响有所减弱。土壤硝化和反硝化以及固氮等功能微生物丰度表现出明显的时间动态。不同利用方式下AOA丰度高于AOB丰度。玉米种植土壤nifH基因丰度远远高于其他利用方式。结构方程模型结果表明，喀斯特土地利用方式改变引起的土壤环境（温湿度）、氮有效性和功能微生物群落改变是影响氮流失的关键因子。本项目研究成果可为深入理解喀斯特生态系统氮生物地化循环特征、喀斯特坡地氮循环调控、喀斯特坡地可持续利用及生态服务功能提升等提供理论依据。