我国温带地区土壤微生物冬季氮固持对植物养分吸收的贡献

Nitrogen is a major limiting factor of net primary production for most of the terrestrail ecosystems. The ecosystem retention capacity of nitrogen from late autuman to early spring is vital for plant nutrient uptake during growing season. In tundra soils, microbial biomass nitrogen was found to peak under late-winter snowpack followed by a significant decline when soils thawed, thereby leading to increased nitrogen availability for plants at the start of the growing season. This pattern characterizes tundra soils at the winter-spring transition, but whether the similar pattern occurs in temperate soils is unclear. On the other hand, by releasing recently fixed photosynthates to the soil, plants may thus actively control microbial nitrogen cycling in winter. However, this control of the plants has, to our knowledge, not yet been explored in grassland ecosystems. To address these problems, we will examine the temporal variability in nitrogen pools of plant, soil and microorganisms, in the dominant vegetation types, including evergreen and deciduous conifereous forests, deciduous broadleaved forests, evergreen and deciduous shrublands, meadow and typical steppe, from three long-term observation sites of Saihanba, Saihanwula and Daxinganling. In addition, we will explore the control of photosynthates allocation on seasonal changes of microbial nitrogen cycling...Our major objectives are (1) to explicitly test whether the general pattern derived from observed dynamics in the alpine area being linked to microbial nitrogen retention in winter is applicable to a wide range of terrestrial ecosystems; (2) to enlarge our understanding of microbial nitrogen cycling in winter and its biogeochemical functions in temperate areas and (3) to fully understand the control of plant on ecosystem nitrogen cycling.

氮是绝大多数陆地生态系统生产力的主要限制因素。从晚秋到初春氮在生态系统中被保持的程度对生长季植物的养分利用十分重要。在高山苔原中发现，土壤微生物冬季氮固持是植物春季养分供给的关键。然而，该假说是否适用于温带地区尚未得到验证；植物春季是否吸收了微生物释放的氮仍不确定；植物通过向土壤释放新固定的光合产物对微生物冬季氮固持的影响尚不清楚。本项目沿干暖到湿冷的气候梯度，选择3个观测站（河北塞罕坝、内蒙古塞罕乌拉和黑龙江大兴安岭）的主要植被类型（常绿和落叶针叶林、阔叶落叶林、常绿和落叶灌丛、草甸草原和典型草原），开展土壤微生物冬季氮固持对植物养分吸收的贡献以及植物通过同化产物分配对微生物冬季氮循环影响方面的研究。本项目旨在提高人们对温带冬季土壤微生物代谢过程和生物地化功能的认识、验证在高山苔原所观测到的微生物冬季氮固持假说在更多的陆地生态系统类型中的适用性，以及全面理解植物对生态系统氮循环的影响。

以往的研究提出了一个经典的微生物生物量季节动态模式，即，冬季微生物生物量达到峰值，并将土壤中的可溶性氮大量固持到体内，而当春季融雪时微生物生物量迅速下降，同时将氮从体内释放出来，成为春季植物养分吸收的重要来源。这种微生物冬季氮固持的假设，已经在季节性积雪的高山苔原和极地生态系统中得到反复的验证。但在温带生态系统中的研究十分有限。此外，土壤微生物氮固持的季节模式是否受植被类型本身的差异引起，还是不同的研究地区土壤养分的可获得性的差异引起，并不清楚。以往的研究大多基于单一研究地点的单一植被类型开展，这将极大地限制我们对微生物氮利用策略季节动态模式的理解。.为此，本研究通过测定我国北方两个典型的温带森林-草原过渡带24种主要生态系统类型、4个季节内的土壤微生物生物量、群落结构及5种胞外酶活性，并结合相关的土壤理化性质的分析，主要回答以下科学问题。第一，在广阔的温带生态系统中微生物生物量氮固持是否存在同高山苔原相同的模式？第二，是什么关键因素驱动了微生物生物量氮积累的模式？.本研究得出以下主要结论：.(1) 在温带森林-草原过渡带发现，微生物生物量具有明显的季节动态。微生物生物量碳在冬季最高，不受植被类型和研究区域的影响。微生物生物量氮的季节动态不同于微生物生物量碳，并且受到研究区域的强烈影响，不受地上植被的影响，表现为冬季氮固持和氮释放两种格局并存。冬季从微生物生物量中释放的氮库对应环境中增加的胞外酶库。.(2) 两个研究区域间不一致的冬季微生物氮利用模式，同土壤氮的可获得性有关。在养分相对贫瘠的塞罕坝地区，冬季微生物将生物量中的氮投资给胞外酶，可能是应对春季同植物激烈养分竞争的缓冲策略。而在出现冬季微生物氮固持的赛罕乌拉地区，观察到不同植被类型下，微生物固持氮的能力同土壤含水量之间存在显著的相关关系。土壤孔隙结构中可利用的自由水可能是引起不同植被类型下氮固持水平高低的关键。土壤含水量、土壤可溶性氮含量以及它们之间的交互作用对预测微生物氮固持的季节变化最为关键。