放牧强度对农牧交错带半干旱草地生态系统硝化-反硝化和厌氧铵氧化过程的影响机理

Grazing has directly effect on the process and function of semi-arid grassland ecosystem through nutrient cycling and energy fluxes, including soil nutrient cycling, greenhouse gas fluxes change between soil and atmospheric environments. Overgrazing does not only affect the vegetation structure, but also directly affect soil physical and chemical characteristics. The function of ecosystem services would lose when the impacts of climatic change on ecosystem exceed its threshold. So far, we have limited understanding of overgrazing effect on ecosystem’s threshold responses, and especially have little understanding of denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) rates. This study will be conducted in semi-arid grassland in northern China. We will use manipulative experiments combined with laboratory incubation to investigate the responses of ecosystem nitrogen cycling (especially the processes of nitrification, denitrification and DNRA rates) and microbial diversity to overgrazing treatments. We aim to find the tipping point of nitrogen cycle and microbial diversity in response to the overgrazing, and reveal the mechanisms of different performances between aboveground and belowground nitrogen cycle processes and related soil microbial function and diversity. Furthermore, we will study the divergent threshold responses of grassland ecosystem in four different grazing intensities, in order to reveal how grazing influences the responses of key processed of N cycling in semiarid grassland ecosystems. This study will be helpful to understand ecosystem’s responses to climatic change, and will provide parameters for models that used for predicting ecosystem primary productivity and nitrogen cycling in different grassland types.

放牧对草地生态系统的影响通过物质循环和能量流动而实现，放牧不仅影响草地的植被状况、土壤的理化性状、养分循环，同时影响土壤微生物的功能与活性。目前，不同放牧强度对土壤氮转化关键过程，包括硝化、反硝化和厌氧铵氧化过程以及相关功能微生物影响的机制尚不清楚。因此，本项目拟以2016年建立的不同放牧梯度的实验平台为研究对象，基于野外原位观测和室内培养实验，主要应用同位素15N库稀释法、15N示踪法和分子生物学技术，通过连续4年的研究，探讨不同放牧强度对半干旱草地生态系统硝化-反硝化和厌氧铵氧化过程的影响机制，区分硝化-反硝化过程对N2O的贡献，揭示不同放牧强度下草地生态系统土壤氮转化的变化规律与过程机制，阐明不同放牧强度对草地生态系统氮循环关键过程的影响，提出维持半干旱草地生态系统可持续发展的氮循环调控措施与优化管理模式。为我国北方农牧交错带草地生态系统初级生产力和微生物氮转化的模型预测提供参数。

本项目依托山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站2016年建立的不同放牧强度长期控制试验平台，经过2019-2022年4年野外监测和室内分析，包括地上/地下生产力、净/总氮矿化和硝化速率、N2O通量、氮转化功能微生物等指标完成了项目预定任务。得出以下主要研究结果：（1）放牧降低了地上净初级生产力（ANPP）、地下净初级生产力（BNPP）与总初级生产力（NPP）；（2）不同放牧强度对植物群落物种丰富度、多度及盖度无显著影响，降低了植物群落高度，且随放牧强度的增加逐渐降低，并且物种丰富度、多度呈现明显年际差异；（3）不同放牧强度对土壤全碳（C）与全氮（N）含量及C/N无显著影响，随着土层深度增加，土壤中全C与全N含量显著下降。但放牧强度与土层深度的交互作用不显著；（4）放牧强度、放牧强度与采样时间的交互作用对总氮矿化速率与总硝化速率均没有显著影响；总硝化速率呈明显的季节动态并且与ANPP呈显著正相关关系，表明该区域草地生产力受硝化过程调控；（5）该草地类型中铵氧化古菌（AOA amoA）的基因丰度高于铵氧化细菌（AOB amoA）。放牧强度及放牧强度与时间的交互作用对AOB与AOA丰度没有显著影响；（6）放牧强度对土壤净铵化速率、净硝化速率与净氮矿化速率没有显著影响，但是存在明显的季节波动；（7）放牧强度、时间及其二者的交互作用显著影响N2O通量，且随年际间降雨的差异表现出明显的年际效应。本项目结合地上植被生产力和植物多样性的变化综合评价放牧对华北农牧交错带生态脆弱区半干旱草地土壤关键氮转化过程和关键功能基因的影响及其内在机理，阐明了不同放牧强度对华北农牧交错带盐渍化草地生态系统氮过程的影响机制。研究结果该地区草地放牧管理和生产实践提供数据参考和理论指导。