氮沉降增加背景下贝加尔针茅草原土壤碳氮转化特征及其与微生物群落演替耦合关系研究

Carbon and nitrogen cycles of grassland ecosystem, as the basic ecological processes, regulate and maintain ecosystem productivity and stability. Soil microbe is the main driving force of soil carbon and nitrogen cycling process. Enhanced atmospheric nitrogen deposition is one of the most important phenomena of global change, but its effect on the carbon and nitrogen cycles and their feedback in grassland ecosystem remains uncertain. Studying the coupling relationship between soil carbon/nitrogen transformation and microbial community succession is essential to reveal these uncertainties, and would provide scientific basis for improving the soil carbon accumulation and reducing the nitrogen losses. A field control experiment to simulate nitrogen deposition would be implemented in Inner Mongolia Stipa baicalensis steppe. Using stable isotope and molecular biology technologies, we would reveal the characteristics of organic carbon and nitrogen reserves, distribution patterns and ecological stoichiometry from plant-soil-microbes system. Meanwhile, the changes of soil microbial community and the main related functional groups responding to carbon and nitrogen transformation and their succession regulation would be explored in this project. This study would reveal the coupling relationship between soil carbon-nitrogen transformation and microbial community succession, and then provide a theoretical basis for the analysis and evaluation of global change effects on grassland ecosystem, and provide scientific basis for the reasonable utilization of grassland, the biodiversity conservation and the restoration of degraded grassland.

碳氮循环作为草原生态系统最基本的生态过程，调节和维持着生态系统生产力与稳定性。氮沉降增加作为全球变化的重要现象之一，其对草原生态系统碳氮循环的影响和反馈存在诸多不确定性。土壤微生物是碳氮循环过程的主要驱动力。研究土壤碳氮转化特征及其与微生物耦合关系是揭示这些不确定性，提高草原土壤碳积累，减少氮素损失的科学基础。本项目在内蒙古贝加尔针茅草原，设置模拟氮沉降野外控制试验，基于稳定性同位素技术和分子生物学方法，研究氮沉降增加背景下贝加尔针茅草原植物-土壤-微生物碳氮积累、分配格局和生态计量动态变化特征，以及土壤微生物群落及其介导碳氮循环的关键功能群结构和多样性演替规律，阐明草原植物-土壤-微生物碳氮转化特征与土壤微生物群落演替的耦合关系，为揭示氮沉降背景下草原土壤碳氮转化演变规律及其微生物学机制，全面分析和评估全球变化对草原生态系统的影响，以及为草地生物多样性保护和退化草地恢复提供科学依据。

氮沉降增加作为全球变化的重要现象之一，对草原生态系统碳氮转化的影响及机制尚不明确。研究土壤碳氮转化特征及其与微生物耦合关系是提高土壤碳积累，减少氮素损失的科学基础。项目基于内蒙古贝加尔针茅草原长期模拟氮沉降野外控制试验平台，采用15N、13C同位素原位示踪技术，研究氮沉降增加背景下草原植物-土壤-微生物碳氮积累、分配格局和生态计量动态变化，以及土壤微生物群落及其介导碳氮循环的关键功能群结构和多样性演替规律，阐明草原植物-土壤-微生物碳氮转化特征与土壤微生物群落演替的耦合关系，结果发现：.1）长期氮添加不同程度地提高草原初级生产力，改变了植物功能群组成，降低了草原群落植物多样性；.2）长期氮添加提高了草原土壤有机碳、全氮、硝态氮和铵态氮含量，提高了草原土壤大团聚体含量和团聚体稳定性，及土壤易氧化有机碳和可溶性有机碳含量，降低了土壤pH和土壤微生物量碳含量； .3）长期氮添加改变了土壤微生物群落组成及丰度。土壤NO_3^-―N含量是影响土壤细菌群落的主要因素；植物群落组成及物种丰富度是影响土壤真菌群落的主要因素；建立了草原土壤质量评价的微生物学指标体系；.4）长期氮添加降低了土壤固碳微生物cbbL功能基因多样性和丰度，提高了氨氧化细菌丰度，降低了氨氧化古菌丰度，氨氧化细菌在草原土壤硝化过程中起主导作用。.综上，长期氮添加背景下，植物-土壤-微生物交互作用决定土壤碳代谢和周转的强度，进而影响土壤有机碳贮量和稳定性。50 kg N•hm-2•a-1是氮添加对草原生态系统正向生态效应的阈值。研究成果为全面分析和评估全球变化对草原生态系统的影响，以及为草地生物多样性保护和退化草地恢复提供基础数据。发表论文16篇，其中SCI论文3篇，中文核心期刊论文13篇。出版专著2部。培养博士后1人，博士研究生3人，硕士研究生4人。.