青藏高原高寒禾本科牧草有机营养特征及土壤氮素吸收策略

This research is conducted on the Tongde County and Maqin County of Qinghai-Tibet Plateau. Based on plant nutrition theory and stable isotope labeling technique, we measure the uptake values of 12 alpine grasses species to different 15N labeled compounds (15NO3-, 15NH4+, 13C,15N-Gly) in situ, and analyze spatial and temporal differences in absorption of alpine grasses on soil organic nitrogen and inorganic nitrogen. Combined with the grass root structure, mycorrhizal types and soil N nutrient supply dynamics characteristics along the growing season, we quantify the annual contribution of soil organic N and inorganic N pools to each alpine grass N uptake accurately, and define the nitrogen acquisition atrategies of 12 kinds of alpine grasses. This research can reveal the organic nutrition characteristics of alpine grasses, further understand the N cycle of artifical alpine grassland ecosystem, and provide the scientific information for sustainable development of the artificial alpine grassland ecosystem.

本研究试图以青藏高原高寒生态系统为研究背景，以12种主要高寒禾本科牧草为研究对象，利用植物营养学的理论知识和稳定氮同位素标记技术，分别在同德牧草良种繁育场（农牧交错区）和果洛玛沁县大武乡（牧区严重退化草地）野外原位测定高寒牧草对标记示踪剂的吸收，分析高寒牧草对土壤有机氮和无机氮吸收的时空差异，结合牧草根系结构、菌根类型以及沿生长季土壤氮库动态变化特征，量化土壤不同氮库对每一种高寒牧草氮素营养的年际贡献，明确12种主要高寒牧草的土壤氮获取策略，揭示高寒牧草有机营养特征，加深对高寒人工草地生态系统氮循环的理解，为高寒人工草地生态系统的可持续发展模式提供科学依据。

项目以高寒草地生态系统为研究对象，探究了在四个完整的生长季不同形态土壤氮库动态变化，水培环境下测定了高寒禾本科牧草对可溶性有机氮和无机氮的吸收动力学参数，且原位研究了高寒牧草吸收土壤氮素的时空分异与对氮素利用的偏好性。研究结论如下：（1）土壤可溶性氮素中无机氮随禾本科人工草地（不施肥）龄级增加迅速下降，尤其是硝态氮含量从45.14 mg. kg-1下降到5.17 mg. kg-1，土壤可溶性有机氮三龄期草地中达到最高值（20.03-43.93 mg kg-1），而后逐步下降到8.64 mg kg-1。以上结果说明高寒人工草地土壤有效养分下降是初级生产力难以持续的主要原因之一。（2）土壤可溶性有机氮库是高寒草地土壤氮素的重要组成部分，同时也是植物可利用土壤氮素中不可或缺的重要组成部分。(3)对6种高寒禾本科牧草在氨氮、硝氮、甘氨酸溶液吸收动力学参数进行测定，结果发现6种高寒牧草对铵态氮的最大吸收速率为5.11-7.81 umol. g-1. h-1，对甘氨酸的最大吸收速率为0.94-2.49 umol. g-1. h-1，对硝态氮的最大吸收速率为0.35-1.71 umol. g-1. h-1。对铵态氮吸收速率最快的牧草是冷地早熟禾，对可溶性有机氮（甘氨酸）吸收速率最快的牧草是垂穗披碱草。另外，对铵态氮底物亲和力最高的牧草是无芒雀麦、冷地早熟禾、披碱草；对甘氨酸亲和力最高的牧草是星星草、中华羊茅和老芒麦。虽然高盐环境显著抑制高寒牧草对氮素的吸收，但盐胁迫下星星草对氮素的吸收却远高于垂穗披碱草。(4)15N野外原位示踪实验表明，高寒牧草对氮素的吸收与土壤氮素形态、施肥措施密切相关。垂穗披碱草和冷地早熟禾偏好吸收硝态氮，中华羊茅对硝态氮和铵态氮的吸收差异不明显。添加尿素能显著降低牧草对土壤硝态氮的吸收，而对铵态氮的吸收影响不显著。说明高寒禾本科牧草对不同氮形态的氮素吸收存在差异，其吸收的土壤氮中11.93-37.13%属于土壤可溶性有机氮。（5）使用氮同位素稀释法和分子生物学方法检测了藏嵩草、矮嵩草和棘豆生长的土体土、根际土和根系内固氮菌的数量（nifH基因），发现藏嵩草根系内存在固氮共生体，说明藏嵩草是一种非豆科的固氮植物。