氮素添加对豆科植物生长及其固氮能力影响的研究

Leguminous plants are a special plant functional group for terrestrial ecosystems, especially for those arid and semiarid grassland ecosystems with nitrogen (N) limitation. However, the increasing atmospheric N deposition will have significant impacts on the structure and functioning of terrestrial ecosystems, even more on the growth and N fixing capacity of legumes because leguminous plants will have more options on sources of N uptake. Such influences may result in change in the dominance of legumes in the communities, and cause possible loss of legumes from the communities. In this study, we will determine how the diversity and abundance of leguminous plant species change in several N addition research platforms constructed for more than one decade in Inner Mongolia and pot experiment in greenhouse with method of community inventory. By applying stable isotope technology and measuring the concentration of 15N in plant leaves, we will determine the N fixing capacity of leguminous plants after N addition with different frequency and different types of N fertilizers. We will further determine change in the abundance of symbiotic N fixing bacteria in the root nodules of legumes with high throughput DNA sequencing after N addition. Finally, we try to figure out if we can set up a possible relationship among the change in the diversity, abundance and dominance of legumes in communities, change in N fixing capacity of legumes, and change in the abundance of root nodule bacteria after N addition. We will also make a prediction on the change tendency of the diversity of leguminous plant species under the global change scenarios based on our research results.

豆科植物是陆地生态系统植物群落中一个重要的功能群类型，尤其是对那些受氮素限制的干旱和半干旱草地生态系统来说。但是，不断增加的大气氮沉降对生态系统的结构与功能将产生重要影响，而对豆科植物生长及其固氮性能的影响可能更大，原因是可能改变豆科植物对氮源的选择，并进一步影响豆科植物在群落中的重要性和优势度，最终导致种质资源丢失。本项目拟利用多个氮素添加平台和温室盆栽实验，通过植物群落学调查，确定豆科植物种类和种群大小变化。应用稳定同位素技术测定豆科植物叶片的15N含量，分析豆科植物固氮能力受氮素添加量、添加频率的影响。在此基础上，利用高通量测序方法，确定豆科植物根瘤中固氮细菌数量的变化。最后，建立豆科植物种类多样性和多度及其在群落中的优势度、豆科植物固氮能力以及共生固氮细菌数量对氮素添加响应的相关性，并预测在大气氮沉降不断增加的全球变化背景下豆科植物种类多样性的变化趋势。

利用锡林浩特和额尔古纳草原氮添加实验平台和中科院植物研究所实验温室，开展了化肥氮形态、氮添加水平以及种植密度对豆科植物生长和生物固氮影响的研究，初步结果如下：.(1) 不同化肥氮形态和氮添加水平对豆科植物披针叶黄华以及参照植物羊草和寸草苔叶片[N]和δ15N值有显著影响。3种植物叶片[N]均随氮添加量增加而增加；3种植物叶片δ15N值在硝酸铵和硫酸铵处理下显著低于其他3种氮肥。黄华叶片δ15N值显著低于羊草和寸草苔，且随氮添加量增加呈增加趋势。.(2) 硝酸铵处理下连续3年结果显示氮添加显著提高了黄华及羊草、寸草苔叶片[N]和δ15N值。黄华有较高叶片[N]和较低δ15N值，且随氮添加水平增加而增加。黄华叶片δ15N值变化表明其生物固氮发生了变化，且与叶片C:N比存在负相关关系。盆栽实验也表明随氮添加水平提高，黄华对根瘤投资逐渐降低。群落中黄华相对生物量也呈现下降趋势。.(3) 对氮添加平台连续7年(2014-2020)群落监测数据显示，不同形态化肥氮添加对群落中豆科植物多样性变化以及生物量占比没有显著影响，但不同剂量氮添加显著降低了豆科植物在群落中的优势度，且这种影响随氮添加年份的增加而增加。.(4) 通过温室盆栽实验探究了氮素对紫花苜蓿生长和生物固氮的影响机制，结果表明氮素添加不会影响紫花苜蓿叶片[N]和生物量，但改变了紫花苜蓿获取氮的来源，表明其兼性固氮特性。氮添加主要通过降低根瘤形成来影响紫花苜蓿生物固氮作用。.(5) 温室盆栽实验表明氮肥和种植密度均影响了达乌里胡枝子生长；氮肥对根瘤形成有抑制作用，但密度增加会缓解氮肥对生物固氮能力带来的“氮阻遏”。适度调节施氮量和种植密度能最大程度发挥“施氮增产”和种植密度缓解“氮阻遏”的作用。上述结果表明合理优化豆科植物的施肥量和种植密度可能对人工草地种植以及退化草地恢复管理具有重要意义。