土壤微生物活性对于氮沉降响应的机理性研究

The mechanisms of soil microbial responses to N deposition impact the terrestrial carbon cycling model in the future. The current results of soil microbial responses to N deposition have showed that N deposition could inhibit soil microbial respiration and activities. However, there are still gaps in our understanding of the underling mechanism. The proposed research will perform one manipulative field experiment with nitrogen additions along a gradient, one lab-incubated experiment with regulating soil acidify, and one lab-incubated experiment with nitrogen additions. The four hypotheses (soil acidify toxic, carbon limitation, enzymes inhabitation, and copiotrophic of soil microbial community hypothesis) would be tested by measuring soil acidify, multivalent cations, soil labile and recalcitrant carbons, enzymes activities, and soil microbial taxonomic composition based on high-throughput sequencing. In addition, the relationships between soil enzymes activities and soil carbon components would be tested. Based on these systemic experiments, the mechanisms of the declines in soil microbial respiration and biomass under nitrogen deposition will be proposed. By integrating changes in soil microorganisms and plant productivity and composition, soil microorganisms help to reveal the mechanisms of aboveground plant responses to nitrogen deposition. The project would facilitate the knowledge of understanding soil microbial-regulated carbon cycling, and provide parameters and mechanism in projections of the regional and global carbon cycling model.

土壤微生物对于氮沉降响应的机理对全球碳循环模型预测有深远影响。目前的研究结果仅是发现土壤微生物呼吸及活性受到氮沉降抑制的现象，但是关于这一现象的潜在机理研究却很缺乏。本项目以中国北方典型草地为研究对象，通过模拟氮沉降设置氮素添加梯度野外控制试验,结合室内土壤酸碱度调控培养试验;结合室内氮素添加梯度培养试验；进行土壤酸碱度、多价离子、土壤碳组分、微生物酶活性的测定及微生物类群的高通量测序及分类，验证酸毒害假说、碳限制假说、酶抑制假说及土壤微生物类群的富营养假说。建立土壤酶活与碳组分的相关。提出解释土壤微生物呼吸及生物量在氮沉降背景下降低的机理。通过研究植物与微生物生产力和多样性在氮沉降作用下的相互关系，从土壤微生物的角度为生态系统地上植被的变化提供解释。深入理解土壤微生物在碳循环中的作用，为模型预测未来氮沉降对碳循环影响及反馈作用提供参数和机理解释。

土壤微生物对氮沉降的响应可用于解释全球变化下土壤碳循环的过程并应用于全球碳循环模型预测。本项目通过在典型草地设置了八个梯度的氮素添加的控制实验模拟未来氮沉降和氮素有效性的增加对植物、土壤微生物以及土壤碳储量的影响及其机制。通过研究土壤微生物和植物生产力对氮素添加水平的响应，以及其关系对氮素添加水平的响应，发现随着氮素添加水平的增加，植物生物量逐渐增加，土壤微生物生物量和呼吸却逐渐降低，植物与微生物量之间的正相关关系逐渐减弱；在低水平的氮素添加下，土壤微生物量碳氮和呼吸与土壤pH值无明显关系，但是在高水平的氮素添加下，土壤微生物量碳氮和呼吸与土壤pH值呈正相关关系，并且土壤微生物量的改变与土壤pH值的改变显著相关，说明氮素添加下土壤pH值的降低是导致土壤微生物活性降低的驱动因子。通过培养实验添加葡萄糖和酚类碳源，研究不同氮添加水平下土壤微生物碳利用效率和激发效应对土壤微生物呼吸和碳储量的影响，发现氮素添加促进土壤微生物对葡萄糖的碳利用效率，降低对酚类物质的碳利用效率，同时降低了葡萄糖和酚类物质添加导致的激发效应，氮素添加导致的土壤微生物群落结构的改变，真菌细菌比例的降低可以解释土壤微生物的碳利用效率，而土壤微生物对葡萄糖的碳利用效率的增加可以解释氮沉降下异养呼吸的降低，葡萄糖激发效应的降低可以促进土壤碳的稳定性，从而有利于氮沉降下土壤碳储量的增加，说明了氮沉降下活性碳源的输入比非活性碳源的输入对土壤碳储量的贡献更大。通过研究土壤微生物细菌群落对氮沉降的响应，发现随着氮素添加量的增加，变形杆菌，拟杆菌，厚壁菌等增加；酸杆菌，放线菌等降低，这些富营养菌群的增加使得土壤碳的分解降低，有利于土壤碳储量的增加。该项目揭示了氮沉降下植物和土壤微生物关系改变的机理，表明了土壤碳储量增加的微生物学机理，为模型预测未来氮沉降对碳循环影响及反馈作用提供微生物参数和机理解释。