温带荒漠生物土壤结皮―土壤系统氮矿化特征及其对水热因子的响应

Soil nitrogen mineralization process, a key procedure within ecosystem nitrogen cycling, is critical for carbon storage and primary production. Biological soil crust (BSC) is one of the important components of desert ecosystems, and is also the key biological factor affecting soil nitrogen cycling. While the role of BSC in soil nitrogen mineralization process, especially the long-term quantitative evaluation the response of BSC to soil nitrogen mineralization was still ignored. Therefore, a precise evaluation of BSC’s contribution to soil nitrogen would be an important addition to a thorough understanding of soil nitrogen cycle in desert ecosystems. This project will focus on different BSCs-covered soils to study the effects of temperature and moisture on net soil nitrogen mineralization, gross mineralization, inorganic pool, microbial biomass, soil enzyme activity and further quantify the availability of nitrogen by integrating in situ and indoor incubations with long term field simulation experiments on warming and rainfall. We expect to reveal the role of BSC in soil nitrogen mineralization process, and explore the threshold values of nitrogen mineralization in response to related hydrothermal factors. This study will enrich our understanding on the ecological function of BSC, which is beneficial for a precise evaluation of BSC’s contribution to nitrogen availability in desert ecosystems under global change.

土壤氮矿化是生态系统氮循环的关键环节，决定系统碳储量和初级生产力。生物土壤结皮（BSC）是荒漠区重要的生物组分，也是影响土壤氮循环的关键因子，但其在土壤氮矿化过程中的作用未受到足够重视，尤其缺乏在年际尺度上对BSC―土壤系统供氮能力的定量评估。因此，准确评价BSC对土壤氮的贡献是全面认知荒漠土壤氮循环过程和机理的重要补充。本项目以腾格里沙漠东南缘植物固沙区典型BSC―土壤系统为研究对象，采用原位培养、室内培养与长期野外增温和模拟降雨试验相结合的方法，研究温度和水分对土壤氮素净矿化、总矿化、无机氮库、微生物生物量的影响，量化BSC―土壤系统的供氮能力，揭示其氮矿化过程对水热因子的响应特征和机理，确定水热因子对土壤氮矿化的影响阈值，明确BSC在荒漠生态系统土壤氮矿化过程中的作用。该研究将丰富BSC生态功能的研究内涵，为准确评估未来全球变化背景下BSC对荒漠生态系统氮素有效性的贡献提供科学依据。

土壤氮矿化是生态系统氮循环的关键环节，决定系统碳储量和初级生产力。生物土壤结皮（BSC）是荒漠区重要的生物组分，也是影响土壤氮循环的关键因子，但其在土壤氮矿化过程中的作用未受到足够重视，尤其缺乏在年际尺度上对BSC―土壤系统供氮能力的定量评估。本项目以腾格里沙漠东南缘植物固沙区典型BSC―土壤系统为研究对象，采用室内培养和野外监测相结合的方法，探讨BSC—土壤氮矿化过程对水热因子的响应特征和机理。结果表明：1）结皮类型对土壤氮素转换速率的影响显著。土壤净硝化速率表现为：藻地衣混生结皮<无结皮<藓类结皮。土壤净氮矿化速率表现为：藓类结皮>藻地衣混生结皮>无结皮。2）温度和水分对土壤氮素转化速率有显著影响。低温培养时，土壤氮素转换以固持态为主。高温促进土壤氮素转换过程，且25ºC为土壤氮素转换的临界温度。三类样地土壤氮素转换速率随着水分的增加均呈现先增加后减小的趋势，15mm 降水是土壤氮素转换的临界水分条件。3）藓类结皮、藻地衣混生结皮和无结皮土壤有效氮含量和氮素转换速率存在明显的季节变化，具体表现为夏季>秋季>春季>冬季。不同BSC土壤有效氮含量和氮素转换速率的季节变化也存在差异。冬季，三类样地土壤有效氮含量和氮素转换速率无显著差异；春季则表现为：藓类结皮>藻地衣混生结皮和无结皮，夏季：无结皮>藓类结皮>藻地衣混生结皮。土壤净氮矿化速率除冬季外均表现为：藓类结皮>藻地衣混生结皮>无结皮，土壤净硝化速率表现为：藓类结皮>无结皮>藻地衣混生结皮。4）在非生长季，土壤有效氮含量和氮素转换速率主要由温度控制；在生长季，土壤矿化过程由温度控制，土壤硝化过程主要由土壤水分控制。该研究将丰富BSC生态功能的研究内涵，为准确评估未来全球变化背景下BSC对荒漠生态系统氮素有效性的贡献提供科学依据。