半干旱沙地植物根区生物要素对根分解及氮素释放的影响

Plant root activity is a key process of the material circulation and energy flow in plant-soil system. Nitrogen is a limited factor to the ecosystem primary production in semi-arid region and root decomposition is a dominant pathway of nitrogen transportation from plant to soil. Root zone biological factors in terms of root growth, mycorhiza, root exudates and rhizosphere microorganisms related to root growth played different roles in root decomposition and nitrogen transportation. However, few researches focused on this. In this study responses of root decomposition rate and nitrogen transportation to live root growth, mycorhiza, root exudates and rhizosphere microorganisms of Artemisia halodendron in are studied by root chamber method in field experiment, combined with laboratory incubation. Biological and chemical effects of root exudates and rhizosphere microorganisms on root decomposition and element release are separated by laboratory experiments. Also component changes of soil nitrogen related with root decomposition are measured together. Then the relationship between root decomposition rate and nitrogen component is analyzed to understand the response process of root decomposition to different processes to root growth, mycorhiza, root exudates and rhizosphere microorganisms. The aim is to offer a further discussion on the impact mechanism of root growth, mycorhiza, root exudates and rhizosphere microorganisms on root decomposition and the mechanism of plant-root system nitrogen transportation in semi-arid region, and then provide a theoretical basis for in-depth understanding of the nitrogen feedback mechanism of plant-soil system in semi-arid sandy land.

植物根系活动是连接植物-土壤系统物质循环与能量流动的关键环节。氮素是半干旱区生态系统初级生产的限制因子，根分解是该区氮素由植物体向土壤转移的重要过程。活根代谢过程中根系生长、菌根、根系分泌物和根际微生物等不同根区生物要素对根系分解和氮素释放的影响不同，目前对该过程的机理性研究较少。本研究以半干旱沙地植物差巴嘎蒿为研究对象，采用野外试验与室内培养相结合的方式，通过分室法，对根系和菌根作用下根分解过程与土壤氮素形态变化进行测定。同时采用室内培养法，对根分解过程中根际微生物与根系分泌物的生物与化学过程进行区分。通过根分解过程中元素释放特征与土壤氮素形态变化等研究，分析根分解与土壤氮素不同形态的相互关系，及根分解对根系、菌根、根系分泌物和根际微生物的响应过程，探讨半干旱沙地植物根区不同生物要素对根分解的影响机制，以及该过程中的氮素转移机理，为半干旱沙地植物-土壤系统氮回馈机制提供理论依据。

凋落物分解是固存于植物中的物质返还到自然环境的重要过程之一，凋落物的分解过程受多种生物和非生物因素影响。科尔沁地区是我国北方农牧交错带沙漠化最为严重的地区之一，差巴嘎蒿是该区沙漠化土地恢复过程中的关键物种之一，在减小风蚀、改善沙面温度等微气候特征以及种子固着等生物特性改善方面具有重要作用，其根系分解是沙地土壤物质循环的重要内容。本研究采用分室法系统研究了差巴嘎蒿根区不同生物要素对其细根分解的影响，测定了分解过程中的细根元素含量和土壤氮素含量特征，分析了根区不同要素影响下的根分解动态及氮释放特征，并采用野外控制实验和模拟降水实验，系统研究了不同起始时间和降水强度对差巴嘎蒿根系及科尔沁沙地优势物种凋落物分解的影响。研究结果表明：1）差巴嘎蒿根系的存在可显著影响其细根的分解，菌根的存在可显著促进细根分解，这种促进效应仅出现在分解的中期，分解2年后不同处理间的差异不显著；2）差巴嘎蒿细根分解过程中的元素含量分析表明，不同元素表现出不同的时间动态，其中，碳、氮、钙、镁、铜等元素含量随分解时间逐渐增加，而碳氮比、钾、钠等随分解时间逐渐下降，另外，不同处理对差巴嘎蒿细根磷和钾含量有显著的影响；3）不同处理下差巴嘎蒿细根分解对土壤氮的影响仅表现在无机氮方面，其中菌根处理下的硝态氮和铵态氮含量均显著高于对照和细根+菌根处理；4）凋落物分解过程中，起始时间是一个关键要素，第一个生长季的水热特征对差巴嘎蒿根系分解具有重要意义；5）降水特征是影响科尔沁沙地凋落物分解的关键要素，其中高频率小降水事件（每10天降水一次，单次降水量10mm）显著促进了凋落物的分解。项目实施以来，发表带有项目标注的论文16篇（第一标注11篇），其中SCI论文4篇，中文核心论文10篇，其他论文2篇。