不同形态的氮素添加对草甸草原土壤微生物群落及其氮循环功能基因的影响

Nitrogen input through dry and wet deposition into terrestrial ecosystems is increasing rapidly with ever-increasing anthropogenic activities. The underlying mechanisms of the responses of diverse terrestrial ecosystems to N deposition have been widely studied. However, most of the the previous studies simulated N deposition through N addition with just one kind of nitrogen compounds, which can not reflect the real effects of atmosphere N deposition on the structure and function of natural ecosystems, as atmosphere deposited N includes different forms of organic and inorganic N. A growing body of evidence showed that N enrichment in soil has an effect on the structure and function of soil microbial communities, but it is still unclear if the responses of soil community communities to different forms of N will be different. In this proposed project, we will evaluate the microbial community diversity and composition, and functional genes using advanced techniques including GeoChip-based analysis of the functional genes and high-throughput sequencing of the 16S rRNA and ITS2 genes. The experiment will be conducted on the field of nitrogen compound addition of meadow grassland established since 2013 in the Inner Mongolia, Furthermore, we will try to elucidate the fundamental mechanisms of responses in the microbial communities and N transformation processes driven by microorganisms to the four different forms of N with comprehensive analysis of edaphic and vegetation parameters. Results from this project will improve our understanding of the responses of belowground communities to the increasing atmospheric N deposition and will have great implications for projecting the ecological impacts of N deposition in the temperate steppe of northern China.

随着人类活动强度的增加，通过大气干湿沉降输入到陆地生态系统的含氮化合物日益增多，氮沉降带来的生态效应已经成为当前全球变化研究的重点。然而，现有模拟氮沉降研究大多只探讨了单一形态的氮素化合物添加对生态系统结构与功能的影响，实际上大气氮沉降中含有不同化合物形态的有机氮和无机氮，其结论能否真实反映氮沉降对陆地生态系统的影响值得商榷。土壤氮素的富集会引起微生物群落结构和功能的改变，但是土壤微生物群落是否会对不同形态的氮素具有差异性响应还鲜为人知。本项目拟依托2013年在内蒙古草甸草原设置的氮素化合物添加实验平台，通过四种包括不同形态的有机和无机氮化合物添加，利用高通量测序和基因芯片技术，研究微生物群落组成和多样性及其功能基因对不同形态氮素添加的响应，结合植物和土壤环境因素的耦合分析，阐明微生物群落及其驱动的氮素转化过程的响应机理，该研究对于理解和预测温带草原氮沉降增加的生态效应有重要意义。

随人类活动强度的增加，通过大气干湿沉降输入到陆地生态系统的含氮化合物日益增多，氮沉降带来的生态效应是当前全球变化研究的重点。然而，现有模拟氮沉降研究大多只探讨了单一形态的氮素化合物添加对生态系统结构与功能的影响，而大气氮沉降中含有不同化合物形态的有机氮和无机氮，其结论能否真实反映氮沉降对陆地生态系统的影响值得进一步探究。该研究通过对4种氮素化合物（硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵和尿素）和5个氮素添加水平（0，2，5，20，50 g N m-2 yr-1）的土壤样品进行16S rRNA基因和ITS2区域的扩增子测序及氮循环相关功能基因检测，探讨了不同形态氮素添加对土壤微生物群落结构、多样性和优势类群相对丰度特征及微生物氮循环基因的影响。结果表明，土壤微生物整个群落多样性、丰富和稀有种多样性及群落结构在不同氮素化合物和氮添加水平的响应均具有显著差异。碳酸氢铵处理中的土壤微生物多样性和群落结构随氮素增加未出现显著变化。相对而言，硝酸铵、硫酸铵和尿素处理土壤中随土壤氮素增加微生物多样性均显著下降，群落结构也发生显著改变，当氮添加水平至20 g N m-2 yr-1时多样性开始明显下降，达到50 g N m-2 yr-1时，多样性最低。整个微生物群落多样性的降低主要由稀有种的减少或消失引起，丰富种多样性尽管会随土壤氮的增加而下降，但一般在氮添加水平至50 g N m-2 yr-1时，其多样性才会显著降低。造成微生物对不同氮素化合物响应的差异主要与土壤理化因素改变有关。该研究暗示，相对于其他氮肥，碳酸氢铵可能是一种较好的氮肥利用方式，因为即使在较高的氮素添加水平下，其土壤中的微生物多样性仍未出现显著降低，群落结构也未出现显著变化，对土壤理化因素的影响也较小。而如果施用硫酸铵、硝酸铵和尿素，需要特别注意其施用量，在中国北方草甸草原，2-5 g N m-2 yr-1的施用量可能是比较适合的，如果施用量大于10 g N m-2 yr-1，土壤微生物多样性将逐渐降低，群落结构也会发生显著变化，并由此影响微生物功能，对地上植物生长产生影响。