宁夏云雾山草地土壤微生物对全球变化的响应及机理

In order to accurately understand the potential impact of global change on the sensitive semi-arid grassland ecosystem in the Loess Plateau, a typical grassland ecosystem in Yunwushan National Nature Reserve in NingXia will be selected as the research object. The dynamic change law of the soil microbe in a three factors field manipulative global change experiment (global warming, changing precipitation regimes, nitrogen deposition), which will be performed in a typical grassland ecosystem dominant by Stipa bungeana, will be analysed by the traditional soil biochemistry technology and the advanced high-throughput sequencing technology. Based on the research of historical long-term semi-arid environment factor influence on contemporary soil microbial properties, the effects and mechanisms of global warming, changing precipitation regimes, nitrogen deposition and their coupling interaction on soil microbial community structure and function will be analysed in the semi-arid grassland, which will reveal the response, the adaptation and the feedback mechanisms of soil microbe, C and N cycling, and soil structure to global change. These results will minimize the negative effects of global change on semi-arid grassland ecosystem in the Loess Plateau, and will provide theoretical basis and technical support to effective management and maintenance of the semi-arid grassland ecosystem for sustainable development.

在全球变化大背景下，为了准确理解全球变化敏感区黄土高原半干旱区草地生态系统所面临的潜在影响，本研究选取宁夏云雾山国家级自然保护区典型草地为研究对象，利用传统的土壤生物化学分析技术结合先进的高通量测序技术，分析以本氏针茅（Stipa bungeana）为主的典型草地生态系统土壤微生物在增温-降雨-氮沉降3因子全球变化控制实验中的动态变化规律，在研究黄土高原半干旱区长期半干旱环境所带来的历史因素对当代土壤微生物作用的基础上，分析全球变化增温-降雨-氮沉降及其耦合交互作用对半干旱草地土壤微生物群落结构和功能的影响及其作用机理，揭示土壤微生物及其参与的生源要素C、N循环和土壤结构对全球变化的响应、适应和反馈机制，以期能为最大限度减少全球变化对黄土高原半干旱草地生态系统带来的不良后果，有效管理和维持黄土高原半干旱草地生态系统的可持续发展提供理论依据和技术支撑。

依托位于宁夏云雾山国家级自然保护区的3因子全球变化实验平台（增温-氮添加-降雨改变），本研究通过原位控制、野外观测、室内培养等手段，初步了解了半干旱草地土壤微生物在全球变化因子影响下的变化特征、阐述了微生物参与的碳氮循环特点、明确了植物群落对全球变化的响应，揭示了全球变化背景下土壤结构对碳存储的可能机理。主要研究结果为：（1）施氮显著降低了土壤微生物生物量碳（7.2%）和微生物生物量氮（7.1%）。增温、施氮和降雨变化三因子交互作用对微生物碳和微生物基础呼吸影响显著。各处理土壤PLFA含量分布范围在134~167 nmol g-1 soil，土壤真菌细菌比（F/B）变化范围在0.14~0.17，该地区土壤以PLFA测定结果表征的土壤微生物群落主要受到土壤NH4+、pH和有效磷影响。（2）实验第4年，增温、施氮及降雨改变对土壤总碳（41.8~45.1 g kg-1）、总氮（3.6~4.0 g kg-1）无显著影响。0~100 cm剖面中，AOB在表层土壤（0~20 cm）中数量最多（6.53×105），相同土层中AOA amoA基因拷贝数比AOB高出1至2个数量级，在60~80 cm土壤中AOA/AOB比值达到最高。增温、施氮和降雨改变3因素交互处理对AOA影响显著。（3）增温降低了25%群落地上生物量，氮添加增加了23%地上生物量。降雨增加在第三年没有显著增加群落地上生物量，但与减雨样地相比显著增加了群落地上生物量。单个物种特别是优势物种对全球变化的响应是决定该区域植物群落稳定性的关键因素。（4）在没有氮添加的处理中，降雨增加显著的提高了土壤团聚作用，促进了团聚体与土壤真菌生物量和交换性Mg2+的耦合。但氮添加会通过抑制真菌生长、改变土壤pH和粘粒-Mg2+-有机质之间的桥接作用减弱降雨对土壤团聚作用的效果。增温可能会通过增加植物根系碳输入，抑制真菌生长和土壤呼吸而减少已有矿物结合态碳的周转增加土壤碳含量。本研究表明，在全球变化背景下，预测土壤碳动态变化时应综合考虑全球变化多因子之间的相互作用。本研究对有效管理和维持黄土高原半干旱草地生态系统的可持续发展和“碳中和”提供理论依据。