大气氮沉降对内蒙古羊草草原植物-微生物氮素竞争的影响

以大气氮沉降为主的活性氮输入增加是当前全球变化的重要现象之一，已经对全球氮循环产生了重要影响。位于我国北方半干旱区的内蒙古典型草原是受全球变化和人类活动影响剧烈和十分敏感的区域，近年来，随着各类大型工矿、火电和化工等项目的引进和建设，氮沉降量在明显不断增加。本项目计划以内蒙古羊草草原为研究对象，运用已经建立的氮沉降实验平台，采用15N库稀释法和15N示踪法分析氮素对激发微生物分解土壤有机质过程的调节和控制作用，从而解释植物-微生物竞争氮素的内在机理，准确理解氮沉降对微生物结构与功能及植物氮素利用效率的调控作用，进一步阐明大气氮沉降对羊草草地植物-土壤-微生物系统的影响，为预测我国典型草原大气氮沉降的效应提供理论基础。涉及的科学问题：①羊草草原土壤微生物过程对大气氮沉降的响应如何？②羊草草原植物个体和群落养分利用效率对大气氮沉降响应是否一致？③大气氮沉降是否改变土壤微生物与植物竞争氮素模式？

氮素是陆地生态系统尤其是草地生态系统第一性生产力的重要限制性养分之一。近年来，随着全球氮沉降的日益加剧以及草地植被的严重退化，生态系统氮循环已成为各国科学家关注的热点问题之一。土壤氮循环是土壤微生物参与的生物化学过程，氨化与硝化过程是微生物参与氮转化的两个重要环节。本文选取内蒙古锡林郭勒典型草地和农牧交错带多伦县弃耕草地2个实验点，分别是从2008年开始处理的模拟氮沉降实验平台和从2006年开始连续进行了8年的添加氮素和刈割实验平台。我们采用同位素15N库稀释法研究草地生态系统中总的氮矿化速率，通过比较不同处理间的差异，分析内蒙古草地生态系统对日益增加的氮沉降的响应机制，同时为恢复和重建内蒙古草地植被提供数据参考和科学依据。（1）不同水平氮素添加主要结论如下：① 内蒙古草地是受氮素限制的生态系统，氮素添加显著促进植物地上净初级生产力（ANPP），增加土壤铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）和无机氮库（NH4+-N + NO3--N），且随着氮素添加量的增加呈升高趋势；② 与对照处理相比，低氮添加（2 g N•m-2•a-1、10 g N•m-2•a-1、20 g N•m-2•a-1 NH4NO3）对土壤微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、微生物生物量碳氮比（MBC/MBN）均无显著影响；高氮添加（50 g N•m-2•a-1 NH4NO3）显著增加了土壤MBN；③ 与对照处理相比，土壤总氨化速率对低氮添加均无显著响应，但高氮添加显著提高了土壤总的氨化速率；土壤总硝化速率在低氮添加（2 g N•m-2•a-1 NH4NO3除外）后显著增加，且1年2次氮素添加频率的总硝化速率高于每月1次添加的总硝化速率，二者的差异在最高氮素处理（50 g N•m-2•a-1 NH4NO3）下达显著水平；④ 随着氮添加量的增加，土壤微生物氮转化显著提高，但是低频率氮素添加（1年2次）和高频率氮素添加（每月1次）间的差异不显著。（2）刈割和氮素添加主要结论：① 氮素添加（10 g N•m-2•a-1 NH4NO3）显著增加了植物ANPP和土壤无机氮库，与对照相比分别提高115% 和196%，同时显著提高了土壤总硝化速率；但是氮素添加对总氨化速率、土壤MBC、MBN、MBC/MBN、微生物呼吸（MR）以及呼吸熵（qCO2）均无显著影响；