氮添加对温带典型草原土壤碳库动态及微生物群落调控机制的影响

Ever-increasing nitrogen deposition has profoundly influenced the terrestrial ecosystem in China. Nitrogen is an important limiting factor for ecosystem productivity, and the addition of nitrogen both affect the plant roots and soil microbial biomass. Verifying such effects needs long-term experiment and large gradient of nitrogen application. Due to the different substrate utilization strategies for soil organic matter among microbial functional groups, treating the soil microorganism as a black box is bound to obscure the diversity of soil microbial metabolism. Lack of clarity of biological regulation on soil organic matter decomposition would obstacle the researchers from furtherly discussing the influencing mechanism of nitrogen addition on soil organic matter decomposition. .Based on an existing experimental platform for simulating nitrogen deposition in a temperate typical grassland of Inner Mongolia, this project uses the stable isotopic technology combined with the phospholipid fatty acid (PLFA) biomarkers to establish both incubation and field experiments, observe the dynamics of soil decomposition among different nitrogen addition levels and the change of microbial community structure and functioning, explore the microbial competition for labile carbon sink and the contributions of microbial functional groups in different stages of decomposition. The objective of this project is to understand the effect of nitrogen on soil carbon sink and microbial community composition, and thus reveal the regulation of nitrogen on the process of microbial communities decomposing soil organic carbon.

不断增长的氮沉降量对我国陆地生态系统造成了深远影响。作为陆地生态系统生产力的重要限制元素，氮素的添加对植物根系和土壤微生物量均有影响，而施氮对土壤碳库的作用需要较长时间和较多梯度的施氮量的验证。由于不同微生物类群对土壤有机质的分解利用存在差异，将土壤微生物视作黑箱的研究方式势必掩盖土壤微生物代谢功能的多样性，而生物因素对土壤有机质分解的调控目前仍不清楚，无法进一步讨论施氮对土壤有机质分解过程的影响机理。本项目拟在内蒙古农牧交错带温带典型草原已有的人工模拟大气氮沉降的实验平台上，运用同位素示踪技术结合磷脂脂肪酸（PLFA）技术开展室内培养实验和野外实验，通过观测不同施氮浓度下的土壤碳库分解动态和微生物群落结构和功能的变化，探讨微生物群落对易分解碳库的竞争及微生物类群在分解作用不同阶段中的贡献，了解施氮对土壤碳库分解和微生物群落的影响，从而揭示施氮对微生物分解土壤有机碳过程的调控。

氮输入对草地生态系统碳循环造成了深远影响，不仅改变土壤理化环境，并调节地上植被和土壤微生物的产量和组成。研究土壤微生物的草原土壤碳分解对施氮的响应有助于深入理解草原土壤的分解过程与机制。为揭示半干旱典型草原土壤微生物群落和碳分解对施氮的响应，本研究在内蒙古草原的长期施氮样地开展。研究的主要结论如下：.（1）半干旱草原土壤呼吸及其温度敏感性受到氮素添加和土壤水热年际变化的综合调控。随着氮添加量的增加，植物地上生物量呈现增加趋势，但土壤有机碳库对氮添加的响应不显著;.（2）施氮对该半干旱草原土壤微生物组成产生了显著影响。施氮导致微生物量碳下降，而微生物群落中的革兰氏阳性菌相对丰度较革兰氏阴性菌上升，且真菌细菌比下降。无论根际还是非根际土壤中，古菌、细菌和真菌的α多样性基本与施氮呈负相关。氮添加对碳水解酶（BG）活性没有显著的影响，但随着氮添加量的增加氮水解酶（NAG）和磷水解酶（AP）活性均呈现增加趋势。微生物群落组成与土壤碳、养分循环密切相关;.（3）施氮增加了革兰氏阳性菌（包括放线菌）对易分解C利用的贡献，却减少了革兰氏阴性菌和真菌对易分解C利用的贡献。本研究同时支持了 “营养化学计量学”和“氮采掘”两种微生物分解作用的理论。“氮采掘“现象在无氮输入土壤中最明显。激发效应显示葡萄糖来源的土壤呼吸在低氮条件下最高，表明低氮条件下土壤微生物群落对易分解C的添加非常敏感;.（4）通过对草原土壤有机碳化学组分的鉴定，施氮对半干旱草原土壤易分解碳（烷氧基碳和羰基碳）的相对含量无显著影响，但对难分解碳的作用不一致。有机碳组分与土壤中微生物群落的变化密切相关。土壤小团聚体中总有机碳含量高于大团聚体；总有机碳在大团聚体中对施氮无响应，而在小团聚体和粉粘粒中随施氮下降。施氮整体提高了微生物对碳、氮、磷营养的需求。氮添加未对土壤有机碳库产生显著影响是通过植物和微生物共同调控的结果。