氮沉降下植物化学组成、微生物分解及土壤物理保护对土壤有机碳组成及储量的影响

Nitrogen deposition has been found to alter the chemistry of plant tissues, microbial community composition, soil enzyme activity and the physical protection of soil organic carbon (SOC). Those changes could have profoundly impacts on both the composition and the content of SOC. However, because limited studies have explored the linkages among those processes, we still do not know very much about the mechanisms that drive soil carbon turnover and storage under increased nitrogen deposition. The proposed research will be conducted at a long-term multiple-level nitrogen addition experiment site in a steppe in Inner Mongolia. We plan to measure soil acidification, base cations, plant chemical structure, enzyme kinetics, microbial taxonomic composition, and soil carbon content in different density fractions under different nitrogen treatments. In addition, a lab-incubated experiment using 13C-labeleld carbon will be performed to assess microbial carbon use efficiency. The project aims to quantify the effects of plant chemical structure, microbial decomposition and soil physical protection. In addition, this proposed study will link plant chemistry traits to microbial community physiological characteristics under N deposition. By integrating plant chemical, microbial biological and soil physical processes, the project will help to reveal the mechanisms driving soil carbon turnover and formation under long-term N deposition.

氮沉降可通过影响植物碳输入的化学组成、微生物群落结构、土壤酶活性、有机质物理保护等过程，影响土壤有机碳的组成及含量。 但由于这些过程的研究相对独立，缺乏对各过程间关联机理的综合探讨，我们对氮沉降如何影响土壤有机碳形成和周转的认识还尚待深入。本项目拟以中国北方典型草地为研究对象，通过设置多梯度氮添加野外试验,结合土壤碳同位素添加室内模拟，对土壤酸碱度、阳离子、植物化学组份、微生物碳利用效率、酶动力学过程、微生物群落以及土壤有机碳的各密度分级进行分析。分离和量化植物化学组成、微生物分解、土壤物理保护三个过程对氮沉降下土壤碳储量及不同稳定性分碳库的影响，揭示氮沉降调控土壤碳库形成和周转的机理，建立对氮沉降下植物化学特性与微生物群落的生物学特性之间的响应关系，为氮沉降下土壤碳循环的响应和反馈提供植物化学和微生物过程的模型参数及机理解释。

氮沉降可以影响陆地生态系统植物多样性和性状、土壤微生物群落组成和酶活，进而调控土壤有机碳储量和生态系统功能。然而，关于地上植物和地下微生物如何响应氮沉降，以及这些响应如何调控土壤有机碳的形成转化，目前仍旧不明确。在此背景下，本项目依托北方半干旱草地生态系统连续15年八个水平氮添加处理的控制试验平台，从植物群落、微生物群落和生理特性、土壤有机碳组分的角度，探讨土壤有机碳对氮沉降的响应机理。1）通过测定植物群落结构以及土壤异养呼吸，发现氮素添加导致植物群落多样性和土壤异养呼吸的下降，同时物种水平可降解性的下降和易降解物种的丢失共同导致群落水平凋落物可降解性的降低。氮素添加后植物多样性的丧失和群落水平凋落物可降解性的下降是导致土壤异养呼吸下降的最重要因素。2）通过高通量测序和整合分析方法，发现随着外源氮输入的增加，植物多样性呈线性下降。然而，细菌多样性对氮输入呈非线性响应。结合同一研究区域中的四个多梯度氮添加实验的整合分析进一步证实了细菌多样性对氮输入的非线性响应和阈值。随着氮输入水平的增加，土壤细菌群落由贫营养向富营养转变，提高了土壤微生物对活性碳的碳利用效率，有利于土壤中微生物碳的累积。3）通过分析七种涉及碳、氮、磷循环的土壤水解酶以及多酚氧化酶的胞外酶动力学参数，发现大部分的碳水解和氮水解酶的Vmax和Km随着氮添加导致的土壤pH值降低而降低。多酚氧化酶的Vmax和Km呈现先增加后降低的单峰趋势。结构方程的模型结果表明，β-葡萄糖苷酶的动力学过程直接调控氮沉降下微生物呼吸的降低。该项目从植物碳输入性状、土壤微生物生理特性、土壤微生物酶动力调控的角度解析了氮沉降下土壤有机碳的响应过程和机理。这些机理有助于认识陆地生态系统土壤碳循环过程，提供植物和微生物参数，降低碳循环模型模拟的不确定性。