典型草原氨氧化微生物及土壤氮素矿化对放牧和水氮有效性的响应

Widespread nitrogen enrichment and precipitation distribution change were the global environmental problems which had a profound effect on grassland ecosystem in Inner Mongolian steppe. Overgrazing was one of main reason to led to the degradation of Inner Mongolian grasslands. Studies on the interactive effects of graze, water and nitrogen enrichment on this ecosystem are important for understanding the ecosystems response to global climate change and the theroy of degrade grassland restoration. During 2005-2011, we preliminary explore the response of net primary production to nitrogen, water and graze in the Inner Mongolian steppe. We suppose that compare with morderately grzaed site,overgraze made faster N turnover, with associated output, could act as a positive feedback to drain soil nutrients from overgrazed sites even faster. For further prove this hypothesis, we do the research on this 7 years old experiment field which include graze, water and nitrogen three factors. We explore the interactive effect of graze, water and nitrogen on ammonia-oxidizing microorganism and soil nitrogen mineralization. This research will help to further understand the soil N cycling as influenced by overgrazing under environment change in Inner Mongolian steppe.

氮沉降增加和降水分布模式变化成为全球性环境问题显著改变内蒙古典型草原生态系统生物地球化学过程。过度放牧是引起内蒙古典型草原退化的重要原因。研究放牧、水分和氮素交互作用对该系统的影响，对于理解该系统对环境变化的响应、内蒙古草原退化机理有重要意义。2005-2011年，申请人对放牧、水氮及其交互作用对内蒙古典型草原净初级生产力的影响做了初步研究。根据此研究结果得出新的实验假设，即水分有效性高时，与中度放牧相比，过度放牧加速土壤氮素转化和输出，造成营养物质恶性循环。为进一步验证此实验假设，本项目以为期7年的放牧、水氮三因子长期定位田间试验为研究基地，利用分子生物学技术探究放牧、水氮及其交互作用对氨氧化微生物数量和结构组成以及土壤氮素矿化的影响。进而深入理解水氮资源变化条件下，过度放牧对草原土壤氮素循环的影响机制。

降水、氮素变化以及过度放牧是内蒙古典型草原生产力的重要限制因子，显著改变生态系统生物地球化学过程。研究放牧、水分和氮素交互作用对该生态系统的影响，对于理解该系统对环境变化的响应、内蒙古草原退化机理有重要意义。本项目以为期9年的放牧、水份和氮素三因子长期定位田间试验为研究基地，采用PVC原状土柱培养以及利用分子生物学技术（实时荧光定量PCR、末端限制性片段多态性分析（T-RFLP）、克隆文库、测序技术）探究放牧、水氮及其交互作用对氨氧化微生物数量和结构组成以及土壤氮素矿化的影响。结果如下：1）长期水分投入后，过度放牧样地土壤累积无机氮、氮素矿化速率、土壤有机碳和总氮显著增加。相反，中度放牧样地土壤累积无机氮和氮素矿化速率显著下降，而土壤有机碳和总氮含量没有发生显著变化。2）氮素投入后，自然降水处理，中度和过度放牧样地土壤累积无机氮和氮素矿化速率显著增加；模拟丰水年处理，氮素投入后，中度放牧样地土壤累积无机氮和氮素矿化速率显著增加；而过度放牧样地，土壤累积无机氮和氮素矿化速率没有显著变化。氮素投入后，中度和过度放牧样地土壤有机碳和总氮都没有显著增加。3）氮素投入显著增加氨氧化细菌（AOB）丰度，不管是中度还是过度放牧样地，自然降水还是模拟丰水年降水处理。水分投入显著降低中度放牧样地氨氧化古菌（AOA）丰度。中度放牧样地氨氧化潜势与AOA丰度呈显著的正相关关系，而与AOB丰度与没有显著的相关性。相反，过度放牧样地氨氧化潜势与AOB丰度呈显著的正相关关系，而与AOA丰度与没有显著的相关性。T-RFLP 结果显示，氮素添加和水分添加显著改变了AOA和AOB的群落结构。.综上，长期水分投入有助于内蒙古过度放牧草原土壤养分的恢复，氮素投入增加土壤无机氮而非总氮累积，进而增加草原植被生产力的不稳定性。在内蒙古典型草原生态系统中，氨氧化过程不仅由AOB驱动，AOA的作用亦不可小视，放牧、水分和氮素对于AOA影响存在显著的交互作用。