长期氮添加对典型草原生态系统土壤有机碳稳定性影响机制的研究

Soil is the largest pool for soil organic carbon (SOC) on the terrestrial earth surface. However, it is not clear whether and how the storage of SOC can be further increased especially under the scenario of future increasing atmospheric nitrogen (N). Using the techniques of the stable isotope carbon and measurement of extracellular enzyme activities, we will determine the SOC content, δ13C values of some specific biomarkers of soil organic matters, and activities of a suite of extracellular enzymes at different soil depth and with different N addition doses in two N addition experimental platforms with continuous N addition treatment for 15 and 20 years, respectively. Our objectives are to investigate the correlation between N addition with different doses and the content of SOC in different carbon fractions, to find out the underlying mechanisms on the influences of currently increasing atmospheric N deposition on the stabilization of SOC in grasslands, and to provide some theoretical supports for future grassland management which can alleviate the tendency of current global change.

土壤是地球陆地表面最大的有机碳库，但其有机碳储量是否可以进一步增加，特别是在大气氮沉降不断增加的背景下，土壤有机碳储量的变化及其相关机制仍不清楚。利用建成并分别处理15和20年的2个草地氮沉降实验研究平台，采用稳定性碳同位素以及土壤胞外酶活性测定等相关技术，通过对不同氮素添加剂量、不同土壤深度、不同土壤碳组分中有机碳含量、生物标记物13C含量以及生长季土壤胞外酶活性的测定，分析土壤有机碳稳定性受氮素添加剂量、土壤深度、不同土壤碳组分的影响以及内在机制，预测未来大气氮沉降增加对草地生态系统土壤有机碳储量的变化，为我国未来草原管理提供理论依据。

利用已经建成并分别处理15年以上的2个草地N沉降研究平台，对不同N添加量、土壤深度、土壤碳组分中有机碳（SOC）含量、主要矿质营养元素含量、理化性质以及生长季土壤胞外酶活性的测定，分析了土壤有机碳稳定性受氮素添加剂量、土壤深度、不同土壤碳组分的影响以及内在机制，为我国未来草原管理提供理论依据。通过4年研究，主要取得了以下三个方面研究成果：. 1、2年N添加增加了0-10 cm土壤可利用Ca 7.2%，降低了Mg 22.5%，却大大增加了Mn 80.4%。5年氮添加显著提高土壤全氮（TN）和可利用Fe、Mn和Cu，但降低了全磷（TP） 和可利用Ca、Na和Mg。土壤矿质养分元素在10-20 cm土壤对N添加响应模式总体相似，但相对要弱，且仅在高N输入处理中显著。10年N添加则显著降低了土壤中总盐基离子和微量营养元素量。上述结果表明，氮素添加水平和持续时间共同改变土壤矿质养分可获得性。. 2、N添加改变了土壤微生物群落结构，增加细菌和革兰氏阳性菌比例，减少革兰氏阴性菌相对丰度 ，尤其在中和高N添加处理，原因是氮素添加导致土壤酸化和NO3--N 增加。随N添加水平提高，上述作用进一步加强，且随土壤深度增加而减弱。土壤TN和pH是塑造土壤微生物群落特征最重要的因素。上述结果表明N添加和土壤深度均导致土壤微生物群落结构改变，使真菌和革兰氏阳性菌成优势，但相应机制有差别。. 3、N添加增加了0-10cm土壤颗粒态有机碳（POM）和矿物结合态有机碳（MAOM）SOC和TN含量，但在30-40cm和70-100cm土层仅在MAOM增加。随N添加水平提高，这种作用更加强烈。我们也发现SOC和TN在表层土壤MAOM中比例少量降低，但在较深土壤层次中显著增加。土壤理化因素要比微生物因素对上述变化影响更为强烈。因此，随N沉降加剧，更多土壤C可能以MAOM储存，从而应加强MAOM饱和性研究。