贝加尔针茅草原土壤微生物多样性对氮素和水分输入的响应机制

大气氮沉降增加和降水变化作为全球变化的重要现象之一，它们对草原生态系统结构和功能的影响如何。以往的研究主要集中于二者对草原群落地上植被的影响，而作为草原生态系统的另一重要生命组分，土壤微生物群落对二者的响应与适应机制尚不清楚，成为当前全球变化草地生态学过程研究中的"瓶颈"。本项目在内蒙古贝加尔针茅草甸草原，通过设置施氮和灌溉模拟增加大气氮沉降和夏季增雨的控制试验，研究施氮、夏季增雨及其交互作用对草原土壤微生物多样性的影响，阐明氮素和水分输入条件下草原土壤微生物群落结构、种群增长、生理代谢、遗传变异及其演替规律，揭示土壤微生物多样性与植物多样性、草原生产力、土壤养分及其它环境因素相互作用与机制，探索土壤微生物多样性的生态系统功能，建立草原土壤质量评价的微生物学指标体系，为全面分析和评估全球变化对草原生态系统的影响，为草地的合理利用、生物多样性保护和退化草地恢复提供新思路和理论依据。

贝加尔针茅草原是中国温带草原主要的草地类型之一。大气氮沉降和降水格局变化作为全球环境变化的重要现象之一，其对天然草地生态系统的影响如何？在内蒙古贝加尔针茅草甸草原设置施氮和灌溉模拟氮沉降增加和夏季增雨的控制试验，研究氮沉降、夏季增雨及其交互作用对草原土壤微生物多样性的影响，揭示土壤微生物多样性与植物多样性、草原生产力、土壤养分及其它环境因素相互作用与机制，为全面分析和评估大气氮沉降和夏季增雨对草原生态系统的影响和反馈作用，为草地的合理利用、生物多样性保护和退化草地恢复提供理论依据。结果表明:（1）氮素的当季损失率为19.68%-32.99%，凋落物对氮素回收率2.06%-3.28%，氮素土壤存留率35.86%-44.32%。（2）氮素和水分添加改变了土壤细菌群落结构和丰度，氮素和水分对土壤细菌群落结构、丰度和多样性存在互作效应。占主导的细菌门类为Verrucomicrobia（30.6%-48.5%） 、Proteobacteria（21.4%-29.9%）和Acidobacteria（9.5%-18.6%）。土壤细菌OTUs和多样性指数在N50且有水分输入条件下最高，高氮（N100-N300）添加水平显著降低了土壤细菌多样性；土壤细菌多样性随着植物多样性的降低呈下降趋势。土壤细菌群落结构组成与多样性的变化与植物多样性的变化与植物生产力显著相关。（3）氮素和水分添加影响草原土壤理化性质和土壤微生物群落功能多样性。土壤微生物代谢活性随着施氮水平增加逐渐升高。土壤总有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮含量与微生物量碳氮和微生物群落功能多样性密切相关；（4）氮素添加显著提升了草原植物生产力，草原植物多样性则呈现出不同程度地降低。（5）不同植物、不同器官凋落物分解速率对氮素添加响应不同，凋落物分解季节动态呈单峰型曲线；贝加尔针茅、羊草、冷蒿三种植物凋落物C含量和C/N比与各器官凋落物分解速率成显著负相关。贝加尔针茅各器官凋落物分解95%所需时间为3.79-5.75a、羊草为3.12-6.34a、冷蒿为2.69-6.82a。植物不同器官凋落物在分解过程中养分元素释放率与初始化学元素含量呈对数关系。（6）建立了草原土壤质量评价的微生物学指标体系，提出草地生态系统氮素和水分管理的调控对策。