刈割对克氏针茅草原生态系统氮循环与氮素平衡的影响

Grasslands play a critical role in safeguarding the environmental and food supply securities in China. Historically, grazing had been a major way of grassland utilization. However, since the year two thousand, owing to grazing exclusion, a large portion of pastures has been used by mowing, which probably wound engender substantial nitrogen losses. Therefore, an accurate assessment of the mowing effects on the N balance in grassland ecosystems will be of great significance. In the study, the effects of forage mowing on the nitrogen cycling and balance in a Stipa krylovii steppe ecosystem of Inner Mongolia will be examined, with emphasis on the input, output, and the budget of nitrogen on an annual term. Hopefully, the study period can see three different precipitation scenarios, i.e., the drought, mean, and humid years, such that a medium or long-term nitrogen budget can be assessed of this ecosystem during the past several decades and in the future decades. The results would provide sound scientific evidences for the sustainable utilization and effective management of the grassland resources in the region

草地在维持食物安全和生态安全中发挥着重要的作用。2000年前，放牧草地占可利用草地总面积的95%。随着退牧还草的实施，刈割利用草地面积在逐年增加。研究表明，刈割利用下氮素输出量可能是放牧利用的3-5倍，并将导致严重的‘草畜分离’效应。因此，精确估计刈割对草原生态系统N素平衡状况的影响具有重要的科学意义。本项目将以内蒙古克氏针茅（S. krylovii）草原生态系统为对象，以野外控制实验为主要手段开展研究。阐明该生态系统氮素循环的一般性特征以及长期刈割利用方式对氮素输入、输出和土壤N平衡的影响方式、程度及其特征参数在不同时间尺度和单位面积上的量化特征，进而揭示克氏针茅生态系统在未来土地利用变化情景下N素有效性与可持续性的变化趋势。本研究提出三个假设：(1)长期刈割利用将造成草地生态系统N素的一定匮乏；(2)刈割主要影响草地生态系统N素的开放循环；(3)刈割对土动物和地表结皮将产生较大影响

人类活动已经对全球氮循环产生重要影响。刈割作为内蒙古半干旱草原常用管理方式之一，影响草原生产力、物种多样性和碳循环等诸多方面。然而刈割对氮循环的影响及其潜在发生机制尚不清楚。另外，土壤与植被对刈割的响应，尤其是与微生物酶活以及与基因相关的微观响应机制也尚不清楚。为了定量评估草地氮收支平衡状况，阐明长期刈割草地氮素的运移过程和运移量，我们依托内蒙古多伦县2003年建立的半干旱典型草原刈割实验样地（共设置留茬2 cm、5 cm、10 cm和15 cm等四个刈割强度），探讨长期刈割草地的氮循环变化过程及其微生物驱动机制。结果表明刈割导致草原植物群落结构发生显著变化，显著降低氨化作用，提高反硝化作用和净硝化量。净氨化量、净硝化量、氨挥发量和N2O通量皆具有明显的季节变化规律。半干旱草原土壤的硝化能力取决于氨氧化细菌的数量。长期刈割没有对土壤氨氧化细菌数量以及含有硝化相关功能基因细菌序列的相对丰度产生显著影响。半干旱典型草原为N2O气体净输出系统，即N2O源。N2O气体排放过程以硝化细菌的反硝化作用为主，（nirK+nirS）/nosZ值是决定土壤N2O气体排放的重要生物因素。刈割没有改变半干旱典型草原生态系统的氮流向，由于较高水平的氮沉降（平均2.04 g m-2 a-1），半干旱典型草原生态系统一直处于氮输入状态，每年每平方米土壤净输入2g以下的氮。刈割通过增加生物量氮的输出和增大N2O排放量而增加土壤氮的损失，氮损失在刈割强度最大时达到最大；刈割通过改变植被来影响土壤养分，进而影响氮循环过程。刈割强度为留茬5cm时可以收获最大牧草生物量。以上结果揭示了半干旱典型草原氮循环与氮平衡对长期刈割的响应机制以及长期刈割对可持续发展的重要性，有助于评估与预测未来全球氮素的收支情况，为维持、恢复与优化生态系统服务功能提供重要理论基础。