温带典型草原生态系统氮循环对持续氮输入响应的定量化研究

The rapid rising nitrogen (N) deposition has profoundly impacted the structure and function of terrestrial ecosystems. Sustaining N input could dramatically affect ecosystem N cycle. Previous studies have focused on the response of some N cycle processes to rising N deposition. However, the quantification of these processes in response to N addition is still lacked. This study is to explore the response patterns of N cycle processes to increasing N deposition and quantify the N allocation in different N pools and changes of the allocation with increasing N deposition in a steppe grassland. The knowledge gained from the present study will provide parameters for models that used for predicting grasslands in response to rising N deposition, and could be helpful for grasslands management.

全球氮沉降的急剧增加已经对陆地生态系统的结构和功能产生重大影响。持续的氮输入可以显著改变生态系统的氮循环过程。尽管前人在氮沉降增加对生态系统氮循环的影响方面已经做了一些研究，目前仍缺乏对氮循环关键过程响应氮素添加梯度的定量化研究。本项目拟利用野外氮素添加梯度控制实验平台，研究温带典型草原生态系统氮循环关键过程对持续氮输入的响应并量化氮素输入与输出的平衡点及氮素在生态系统内各个氮库中的分配。本研究将为预测和模拟我国草原生态系统对持续氮输入的响应提供参数检验和模型验证，并为草地生态系统管理提供理论基础。

全球氮沉降的急剧增加已经对陆地生态系统的结构和功能产生重大影响。持续的氮输入有可能超出生态系统对氮素的需求，即超过生态系统对氮输入响应的临界点，达到“氮饱和”状态。然而，目前对氮饱和理论的检验与验证仅存于几个森林生态系统的研究中，对于草地生态系统氮循环的关键过程响应氮素添加的方式和氮饱和临界点的量化研究还比较匮乏。本项目以内蒙古温带典型草原生态系统为研究对象，利用不同水平氮素添加长期控制实验平台研究了草地生态系统主要氮循环过程对持续氮输入的响应模式及氮饱和临界点，同时利用15N稳定性同位素示踪技术量化了生态系统中氮素的分配，对氮循环响应氮富集的相关理论进行了验证和完善。研究结果显示：典型草原生态系统植物叶片的氮含量和植物地上氮库随氮素添加量的增加而增大，但不同植物叶片氮含量对氮素添加梯度有不同的响应，这可能在一定程度上指示了植物群落结构的变化。四种优势植物叶片的15N吸收速率随着氮素添加量的增加而降低，这说明在高水平氮素添加处理下植物体内的氮含量趋于饱和。土壤表层氮存储对氮素添加梯度没有显著的响应；土壤无机氮含量随氮素添加量的增加而显著增加。氮素淋溶损失量在高水平氮素添加处理下有所增加；气态氮损失量随着氮素添加量的增加而呈指数增长。氮素添加显著降低了此典型草原土壤微生物的多样性并改变了其群落结构，土壤CNPS相关功能基因的绝对丰度在氮素添加量高于2 g N m-2 year-1时即显著下降。氮素添加导致的土壤酸化是土壤微生物群落结构与多样性变化的主要原因。综合本项目的研究结果，为维持草地生产力与生态系统稳定性，此典型草原的氮素添加量的理论上限参考值为4 g N m-2 year-1。本项目的研究结果不仅能为预测和模拟我国草原生态系统对持续氮输入的响应提供参数检验与实验证据，还可以为全球变化背景下的草地生态系统可持续管理提供理论基础。