半干旱草地生态系统氮循环对不同放牧和割草强度的响应机理

Nitrogen is the first limiting nutrient in the grassland ecosystem. Grazing and mowing are two main methods in governing natural grassland in northern China. There are direct and indirect effects on structure and function of grassland ecosystem under grazing and mowing. Human activities have tremendous impact on the structure and function of terrestrial ecosystems. There is a threshold for ecosystem service, when the impact exceeds the threshold, ecosystem services will be crashed. Grazing and mowing which have different effects on nutrient cycling in natural grassland. How to maintain a healthy grassland ecosystem and to use it in a rational way needs to be addressed urgently. In semi-arid natural grassland of northern China, we use controlled experiment combining incubation experiment in laboratory to study mowing, grazing and fenced grassland effects on key processes of belowground nitrogen cycling and microbial diversity. The response of microbial nitrogen transformations (including nitrification and ammonification) and microbial diversity will be studied and quantified. Through comparing the effects of fencing, grazing and mowing on microbial nitrogen transformations, we can illustrate the response of grassland ecosystem processes to different management ways. This study helps us to reveal the mechanism of grassland ecosystem response to human activities, and provides parametric test and validation of the model to predict the semi-arid grassland ecosystem primary productivity and nitrogen cycling.

氮素是草地生态系统第一限制性养分，放牧和割草是中国北方草地最主要的两种土地利用方式，这两种利用方式对土壤氮循环都会产生不同程度的影响。对草地生态系统氮循环机理的研究有助于因地制宜地利用天然草地。本研究以中国北方半干旱天然草地生态系统为研究对象，用野外原位观测结合室内培养实验的方法，研究三种草地管理方式（围封、放牧和割草）对氮循环关键过程尤其是地下氮循环过程的影响，揭示并量化半干旱草地氮循环过程对放牧和割草的响应，探讨地下和地上过程对割草和放牧响应的不同生态学机制，解释放牧和刈割对土壤氮循环的影响机理。通过比较围封、割草和放牧三种利用方式下的植物-土壤-微生物间氮转化，阐明不同管理方式对草地生态系统氮循环的影响。该研究有助于揭示天然草地生态系统对割草、放牧和围封的响应机理，并为我国半干旱草地生态系统管理提出新的模式，从而有助于更好地保护和利用草地生态系统的服务功能。

放牧和割草是草地生态系统主要利用方式，但是不同的放牧强度和不同的割草强度对草地生态系统的结构和功能会产生不同的影响。我们通过一个4年的放牧和割草实验平台，测定了生态系统过程的相关指标，得出以下几个方面的结论： （1）放牧促进土壤氧化亚氮的排放，表明放牧加速氮的转化。放牧也会促进土壤氮矿化，其中硝化速率和净氮矿化速率动态变化一致。但是在重度放牧区处理下N2O排放并没有增加，而重度放牧区具有较高的氮矿化速率，表明重度放牧降低了反硝化过程导致较低的N2O释放。（2）放牧强度对土壤微生物生物量碳氮没有显著影响。通过研究土壤呼吸的变化发现，在不同放牧强度下，由于根系生物量的降低，根主导的自养呼吸降低，而微生物呼吸并没有显著变化，表明即使放牧减少地下基质的供应，仍然可以通过粪尿返还等刺激土壤微生物，激发微生物的活性，使得土壤微生物生物量碳氮没有显著变化甚至降低，因此放牧处理下微生物群落及微生物活性的变化将会解释土壤氮的转化。（3）刈割提高土壤硝态氮和总无机氮含量。刈割降低地上生物量的同时提高了地下生物量，其中重度刈割区地上生物量降低的最少，地下生物量增加的最高，说明刈割后无机氮的积累将会减弱刈割对生物量的影响，即补偿效应会抵消基质供应的降低。（4）刈割对土壤微生物生物量碳氮没有显著影响，但是微生物呼吸相对于对照区有升高的趋势，表明刈割导致地上生物量降低的同时减少了基质的输入，会刺激微生物的活性，即微生物对刈割的响应同样具有补偿效应。通过对比放牧和刈割，我们推荐轻度的放牧（2.35 只羊/公顷·生长季）或者中度的刈割（留茬5 cm）将会有利于该地区草地的维持与恢复。