放牧强度对农牧交错带半干旱草地凋落物分解及碳转化的影响机制

The formation and decomposition process of plant litter is an important part of material cycle and energy flow in ecosystems. It not only provides energy for normal operation of ecosystems, but also provides food sources for soil vertebrates, and provides survival matrix for soil microorganisms. Grazing affects the decomposition of litter and the release and transfer of nutrients through defoliation, trampling and excrement of grazing animals. As the key linkage of the soil carbon source of grassland soil, the response of litter decomposition to grazing intensity and the effect of carbon transformation are not clear. The purpose of this project is to explore the effects of different grazing intensities, from none grazing to heavy grazing, on carbon and chemical characteristics of litter and soil in a semi-arid grassland ecosystem in the agro-pastoral ecotone of northern China. Chemical characteristics litter and soil, microbial carbon utilization pattern will be measured and the 13C stable isotope probe technique was used to quantify the integration of vegetation carbon in soil microbes, and quantitatively study the decomposition process of litter and the response of carbon transformation to different grazing intensities. This study will help clarify the maintenance mechanism of semiarid grassland productivity in the northern agro-pastoral ecotone, and provide a theoretical basis for the sustainable management of grassland in this area.

凋落物的形成与分解不仅为生态系统正常运转提供能量，而且可以为土壤动物和微生物提供食物来源。放牧通过食草动物的采食、践踏及排泄等途径影响凋落物分解和养分的释放和转移。凋落物分解过程作为草地土壤碳来源的关键环节，对放牧强度的响应及碳转化效应尚不清楚。本项目拟依托北方农牧交错带半干旱草地生态系统的控制放牧实验平台，研究不放牧、轻度、中度和重度放牧对凋落物和土壤碳化学特征的影响，分析草地碳库、土壤微生物碳利用模式对放牧强度的响应特征，阐明放牧对草地生态系统凋落物碳周转的影响过程；采用13C稳定同位素探针技术定量草地凋落物、土壤及土壤微生物的13C丰度变化，研究不同放牧强度对凋落物分解过程、组成成分（质量残留、纤维素和木质素）的分解率及凋落物分解过程中碳转化效应的影响，揭示放牧对草地凋落物分解碳转化过程中的微生物调控机制，为阐明北方农牧交错带半干旱草地生产力维持的机制和草地可持续管理提供理论依据。

凋落物是陆地生态系统中能量流动和物质循环的重要媒介，其分解过程对草地生态系统的固碳和营养元素的周转具有重要意义。本项目在明确农牧交错带植被、土壤情况的基础上，以以白羊草（Bothriochloa ischaemum）、赖草（Leymus secalinus）和扁蓿豆（Melissilus ruthenicus）为材料，采用水浸提法模拟凋落物淋溶过程，探索凋落物淋溶物质对3种植物幼苗生长、土壤理化性质、根际土壤微生物结构和功能多样性的影响。研究结果如下：.（1）在不同浸提时间，3种植物凋落物浸提液中的化合物种类存在差异，以脂肪族醛和酮、直链醇、可溶性有机酸、类萜和甾类化合物以及简单不饱和内酯等物质为主。.（2）凋落物浸提液对种子萌发具有显著的抑制作用，且随浓度的增大抑制作用增强。白羊草凋落物浸提液对自身幼苗根系生长有促进作用，且浸提液浓度达0.025 g•mL-1时显著促进了根系的生长。赖草和扁蓿豆凋落物浸提液显著抑制自身幼苗根系的生长，并且随浓度的增加抑制作用增强。三种植物凋落物浸提液对自身幼苗的SOD、POD、CAT和MDA的含量也存在不同程度的影响。.（3）土壤理化性质对凋落物浸提液处理的响应表现为：添加白羊草凋落物浸提液使土壤有机碳（SOC）和全磷（TP）含量随浓度的增加呈现先降后增的趋势，而降低了土壤TN和pH；添加赖草凋落物浸提液对SOC和TP无显著影响，但是能增加土壤TN，降低pH；添加扁蓿豆凋落物浸提液能增加土壤TP含量，但是对SOC、TN和pH却无显著影响。浸提液处理可以增加变形菌门和担子菌门的相对丰度，降低放线菌门和子囊菌门的相对丰度。.（4）随着培养时间增加，微生物代谢强度显著增加；并且在培养末期（144 h）各处理根际土壤平均颜色变化率（AWCD）达到最高，其中白羊草0.10 g•mL-1浓度浸提液处理最高，比对照组提高55.35%；赖草0.05 g•mL-1浓度浸提液处理最高，比对照组提高21.41%；扁蓿豆0.05 g•mL-1浓度浸提液处理最高，比对照组提高534.85%。聚合糖类、氨基酸类和酯类碳源是导致三种土壤微生物代谢活性存在差异的主要原因。