生态脆弱区土地利用变化对土壤氮循环及关键微生物菌群的影响

Changes of land-use /cover type due to anthropogenic disturbances can affect soil nutrient pools and cycling processes that relate long-term sustainability of ecosystem, and can also affect atmospheric CO2 concentrations and global warming through by soil respiration. We conducted a comparative study to determine soil nitrogen (N) pools，carbon (C) stocks，N mineralization, ammonia-oxidizing bacteria (AOB), ammonia-oxidizing archaea (AOA)and azotobacteria of adjacent different ecosystem soils from the same mother materials in vulnerable semi-arid Hebei plateau, by combined using biochemistry and molecular biology. Our study aims to assess the effectiveness of ecosystems shift on soil C and N potential release, and relations between N cycling and microbial organism in different land use/covered type（natural forest, man-made forest, grassland and cropland）. This would provide basic data in quantitative understanding of environment and agricultural implications of land use shift from forest or grasslands to cropland, and vice versa. It is important for government police in regulating land use/cover type, decreasing C and N emission to environment, increasing their fixation into soils and fulfilling sustainable winning of ecology and agriculture.

人类频繁扰动导致土地利用/覆被类型变化，引起土壤氮循环及相关功能微生物菌群改变，导致土壤氮库及供氮能力发生变化，并影响生态系统功能和全球气候。本项目拟选择河北坝上高原脆弱生态区发源于同一土壤母质的不同土地利用/覆被类型(天然林、人工林、草地、农田)的土壤为研究对象，采用土壤生物化学和分子生物学方法，对照研究土壤有效氮、碳库；氮碳耦合矿化及影响氮矿化与固定的氨氧化细菌、氨氧化古菌和固氮菌的差异。从微生物分子生态学的角度探索氮循环与不同生态系统相关微生物主效菌群的关系，以及关键微生物对土地利用/覆被类型变化的响应与适应机理，以揭示土地利用/覆被类型变化对土壤氮碳库消长规律的影响。为土地利用调控决策，提高土壤氮碳固定、减少向环境排放，促进生态系统稳定性和功能的发挥，实现生态与农业持续共赢式的发展提供理论依据。

脆弱生态区本身存在自然障碍，人类频繁扰动导致土地利用/覆被类型变化，引起土壤碳、氮循环及相关功能微生物菌群改变，导致土壤氮库、碳储量及氮循环发生变化。本项目通过对河北坝上高原和华北低平原区域尺度内发源于同一土壤母质的不同土地利用/覆被类型的土壤为研究对象，对照研究了土壤有效氮、碳库、氮碳耦合矿化及相关关键微生物分子生态学机理。研究结果表明，人为扰动自然系统将森林或草原开垦为农田连续耕作会提高土壤pH，改变土壤活性氮库的氮成分存在形式以及氮循环的路径，将土壤中以NH4+-N为主成分的高度氮封闭、易持留N的系统循环转向以NO3--N为主成分的开放型氮循环。土壤中的活性较强的NO3--N容易流失于作物根系活动层之外, 或进入土壤圈以外的生态环境并对人类生存构成威胁。实施退耕还林还草15年内对土壤的碳储量和氮库是一个消耗过程，土壤氮素内循环在这一时期内是一个加速过程。生态系统改变15-40年内土壤氨氧化细菌与固氮菌均依然与前身仍保持有极高亲缘关系，但活性和均匀度变化显著。在华北低平原盐碱地区，种植多年生的乔木柽柳和灌木枸杞8年后的土壤硝化势显著低于连续种植耐盐作物棉花，但棉花的净矿化量是是柽柳地的1.93倍，是枸杞地的1.4倍；在重盐碱地人工种植柽柳、枸杞和经济作物棉花与甜高粱后土壤的C矿化没有显著差异。在盐碱地实施枣/粮间作导致系统内土壤碳、氮、水的错位分布，枣/粮根际交错带的氮库锐减，循环速度下降。这些结果将为我国生态建设和绿色发展的战略决策提供依据。