草地土壤微生物群落结构与功能对大气氮沉降的响应及其机制

Nitrogen (N) deposition is widely considered an environmental problem that leads to biodiversity loss and altered ecosystem functioning. Resource control over abundance, structure and functional diversity of soil microbial communities is a key determinant of soil processes and related ecosystem functioning. Elevated nitrogen (N) deposition has been shown to alter environment resource stoichiometry which influenced rates of microbial decomposition and nutrient transformation by affecting microbial properties, such as soil enzyme activity and microbial biomass and community structure. Grassland, as an important vegetation with vast distribution on the earth, are sensitive to global change factors and are facing or will face high levels of atmospheric N deposition. The proposed research will use ecological stoicheometry theorem to study the characteristics of microbial abundance and community structure and functioning under N deposition by simulated elevated atmospheric N deposition in a semiarid grassland of the Loess Plateau. The integration of these results will expand our nascent understanding of grassland ecosystem function and biogeochemical cycling. Moreover, results and understanding gained will be of great utility to local and regional decision makers, who must deal with worsening environment quality and grassland productivity.

长期大气氮沉降对草原生态系统的结构与功能产生重要影响。土壤微生物是草地生态系统中最活跃的成分，对生态系统的物质循环及能量流动有重要的调控作用。氮沉降能间接或直接影响土壤微生物的种类、数量、物种多样性、种群结构及其功能，进而对土壤中物质转化和营养物质有效性产生影响，但目前的报道大部分是侧重于现象的描述和过程的推断，而关于其机制尚不清楚。因此，本项目拟从生物与环境间多个元素的平衡关系入手，基于生态化学计量学原理，研究氮沉降如何通过改变环境资源的计量比影响土壤微生物生物量与酶活性及其计量比特征，以及微生物群落结构与功能的变化及其协调机制，其结果对于深刻理解氮沉降对草原生态系统结构与功能的影响过程及草地养分的科学管理与合理利用具有重要的理论和实践意义。

长期的大气氮沉降会改变土壤环境、微生物和植物间的营养关系，进而影响草原生态系统的结构与功能。在黄土高原典型草原通过人工氮素添加模拟大气氮沉降，开展大气氮沉降对植物群落结构及土壤养分供给特征、土壤微生物群落结构及养分需求特征及土壤微生物胞外酶的活性特征的影响研究，以阐明大气氮沉降对土壤微生物群落结构与功能协调关系的影响及机制。结果显示：（1）植物群落地上生物量、地下生物量和总生物量随着氮的添加而显著增加，在N9.20 (9.20 g N/m2 )处理时最高，植物群落稳定性对氮素添加量的响应也呈现非线性，主要受物种异步性调节，当前氮沉降水平（〈2.3 g N/m2）对植物群落稳定性无显著影响；（2）氮素输改变了土壤微生物与资源C:N:P化学计量不平衡性，加剧了C素对土壤微生物生长的限制；土壤微生物通过调控胞外酶计量比，增加碳利用效率，致使呼吸比例降低：（3）氮添加后真菌群落组成的变化比细菌和古细菌群落组成的变化明显，氮的添加降低了子囊菌，担子菌和头孢菌属的相对丰度，且在低氮添加水平下，伞菌，伞形霉菌和孢子菌科的相对丰度增加；（4）氮素添加改变了土壤中微生物可利用资源DOC和无机氮的供给特征，引起土壤微生物结构与代谢特征发生改变，进而削弱了植物生物量与植物丰富度之间的联系，增强了土壤微生物对植物群落的调控能力。以上结果可以加深对微生物适应环境与进化机制的理解，并丰富生态化学计量学理论，同时，对于深刻理解氮沉降对草原生态系统结构与功能的影响过程及草地养分的科学管理与合理利用具有重要的理论和实践意义。