不同草地生态系统氮转化及功能微生物对极端干旱的响应

Global climatic change has profoundly impacted on the structure and function of terrestrial ecosystems. The function of ecosystem services would lose when the impacts of climatic change on ecosystem exceed its threshold. So far, we have limited understanding of ecosystem’s threshold responses, and especially have little understanding of the factors and mechanisms than cause the threshold responses. This study will be conducted in meadow, typical and sand grassland ecosystem in Inner-Mongolia, China. We will use manipulative experiments combined with laboratory incubation to investigate the responses of ecosystem nitrogen cycle (especially the processed of belowground nitrogen cycle) and microbial diversity to extreme drought. We aim to find the tipping point of nitrogen cycle and microbial diversity in response to the extreme drought, and reveal the mechanisms of different performances between aboveground and belowground nitrogen cycle processes and related soil microbial function and diversity. Furthermore, we will study the divergent threshold responses of grassland ecosystem in the three different grassland types, in order to reveal how climatic change influences the threshold responses of grassland ecosystems. This study will be helpful to understand ecosystem’s responses to climatic change, and will provide parameters for models that used for predicting ecosystem primary productivity and nitrogen cycling in different grassland types.

全球变化正改变着我们赖以生存的生态环境，尤其是极端气候事件，对生态系统的结构和功能正产生或已经产生了巨大的影响,当影响超过生态系统最大承受能力时，生态系统服务功能将发生崩溃。但是，我们对极端干旱影响草地生态系统结构和功能的理解还知之甚少，尤其缺乏对土壤氮转化及参与氮转化功能微生物的影响机制的了解。本研究以内蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原为研究对象，利用生态系统水平控制降雨的极端干旱实验平台结合室内培养的方法，研究内蒙古三种草地生态系统土壤氮转化以及与氮转化相关的功能微生物多样性对极端干旱的响应，揭示并量化不同草地类型土壤氮循环过程和微生物功能基因对极端干旱的响应是否有差异，探讨土壤氮转化过程关联土壤微生物对极端干旱响应的生态学机制。通过对比不同草地类型对极端干旱的响应差异，阐明气候变化对生态系统过程与功能的影响。该研究有助于揭示草地生态系统氮循环过程对全球变化极端气候的响应及机理。

全球降水格局变化的不确定性会对陆地生态系统结构和功能产生潜在的剧烈影响。草原作为对水分敏感的干旱、半干旱生态系统的重要组成部分之一，具有保持水土和调节气候等重要的生态功能。氮作为草原生态系统植物生长的限制性营养元素，对植物净初级生产力具有重要调控作用。其中土壤氮转化对土壤中氮的可利用性起决定性作用，而土壤微生物群落作为地下养分循环过程的主要驱动力，其功能对水分变化的响应十分敏感。本研究利用内蒙古极端干旱联网控制实验平台，全球变化联网控制实验平台中国北方草原样带，运用15N库稀释法测定野外测定土壤原位总氮矿化速率和总硝化速率、室内总氮矿化潜在速率和总硝化潜在速率；以及相关土壤理化特性和微生物指标，并计算土壤微生物氮固持潜在速率。主要研究结果如下：（1）通过研究极端干旱对土壤总氮转化速率的影响发现，草甸草原中不同极端干旱处理之间土壤原位总氮矿化速率差异显著，草甸草原土壤原位总氮矿化速率随极端干旱强度增加而进一步降低。（2）通过研究极端干旱对土壤碳、氮矿化潜在关系的影响发现，野外极端干旱的主效应显著增加土壤净氮矿化潜在速率，对土壤碳矿化潜在速率没有显著影响，说明土壤碳、氮矿化过程对野外极端干旱存在差异性响应。（3）通过研究北方草原自然降水梯度下的土壤总氮转化速率发现，草原类型之间土壤原位总氮矿化速率、室内总氮矿化潜在速率和微生物氮固持潜在速率有显著差异，均呈现出草甸草原最高，荒漠草原最低的规律。与典型草原和荒漠草原相比，极端干旱可能通过影响草甸草原土壤含水量进一步影响草原草原的养分循环。自然降水梯度下，中国北方草原不同类型的草原土壤总氮转化速率差异显著，土壤总氮转化主要受到气候和底物库的长期调控。从短期的降水改变到长期的降水环境中，厘清水分变化过程中土壤总氮转化的影响机制，才能准确预测气候变化过程中土壤总氮转化对土壤可利用氮的影响，及其未来气候条件下对草地生产力影响。