我国北方多年冻土区泥炭地植被-土壤碳氮耦合过程对氮营养环境变化的响应

Permafrost at high latitude is very sensitive to global change. Thawing of permafrost peatlands and subsequent soil organic matter mineralization may release internal nitrogen (N), and then accelerate carbon (C) and N cycling and change their C sink function under climate warming. However, the extent and direction of this impact is uncertain, because little research has been done about the responses of plant and soil microorganism to change of N nutrient in permafrost peatlands, especially, the linkage mechanisms between above and below-ground ecosystems changes are poorly understood by lack of in situ and long-term field experiment. The aim of this project is to investigate the responses of coupled C and N process to change of N nutrient in the fragile ecosystem under global change. We will carry out field experiments and microcosm experiments and use the DNA-SIP technology to investigate the impacts of increasing available N on plant C and N absorption, distribution, and release as well as soil microbial composition and functional activity in permafrost peatland of Northern China, and access the response of plant-microorganism-soil interactions to change of N nutrient and their feedback regulation on C and N biochemical process. This will help to assess the response and mechanism of coupled C and N cycle to change of N nutrient, and provide the important scientific basis for prediction peatland ecosystem C and N balance under global change.

高纬多年冻土区是对全球变化响应最为敏感的区域。气候变暖导致的冻土融化及有机质分解释放的内源氮可能会加速冻土泥炭地碳氮循环，改变其碳汇功能，但是由于缺少植物和微生物对氮营养环境变化的响应研究，特别是长期野外定位研究较少，其影响的程度和方向还很难确定，尤其是地上生态系统和地下生态系统联动机制尚不明确。本项目针对全球变暖背景下脆弱生态系统碳氮耦合过程对氮营养环境变化响应这一国际科学前沿问题，拟选取我国北方多年冻土区泥炭地为研究对象，综合运用野外原位控制实验、室内微宇宙培养和稳定同位素核酸探针技术，研究有效氮增加对泥炭地典型植被碳氮吸收、分配、释放以及对土壤碳氮生物化学过程的影响，揭示泥炭地植物-微生物-土壤相互作用关系对氮营养环境变化的响应及其对碳氮生物化学过程的反馈调节，明确氮营养环境变化影响下泥炭地碳氮循环过程及其耦合机制，为预测未来全球变化背景下泥炭生态系统碳氮平衡提供重要的科学依据。

本项目以我国北方多年冻土区泥炭地为研究对象，开展了泥炭地植被-土壤碳氮耦合过程对氮营养环境变化的响应研究。明确了我国北方多年冻土区泥炭地植被演替过程中土壤微生物群落组成、丰度、土壤酶活性与土壤碳氮营养的关系，揭示了泥炭地地上植被与地下生态系统碳氮耦合关联特征。基于野外原位氮营养环境变化模拟实验，发现氮素有效性增加降低了冻土区泥炭地植物物种丰富度，高灌木地上部分对氮营养环境变化响应敏感，氮素有效性增加显著提高了高灌木-柴桦的高度、盖度以及叶片氮含量，降低了叶片磷含量，而苔草植物地下根系对氮营养环境变化响应敏感，氮素有效性增加显著提高了苔草植物根的长度、面积和体积。氮素有效性增加显著提高了冻土区泥炭地土壤细菌、真菌、固氮菌和反硝化细菌数量，提高了土壤氨氮和溶解有机氮含量，降低了土壤微生物量碳和溶解有机碳含量，以及土壤全氮和总磷含量，说明氮素有效性增加能提高微生物对土壤有机质的分解作用引起土壤碳氮磷损失，也能促进植物对氮磷养分的吸收利用。高浓度氮添加提高了土壤球囊霉素蛋白含量和参与酶锁作用的土壤酚类物质含量，进而抑制土壤蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性，同时，氮素有效性增加通过提高植物凋落物和根系碳输入补偿了微生物对土壤碳的分解作用，因此未改变土壤总碳含量。基于枯落物分解实验明确了氮营养环境变化和温度升高对泥炭地典型植物残体分解影响的微生物机制，发现植物残体早期分解主要受真菌的调控。高浓度氮营养环境更有利于白毛羊胡子草残体分解，但会抑制泥炭藓残体分解，氮素有效性增加导致白毛羊胡子草和泥炭藓植物残体分解的温度敏感性降低。基于微宇宙实验发现冻土区泥炭地土壤微生物活性受低温和氮素有效性的限制，温度升高和氮添加均能够提高土壤甲烷氧化菌和nirK型反硝化细菌数量，有利于泥炭地土壤甲烷氧化作用和反硝化作用，促进CO2和N2O释放。本研究为预测未来全球变化背景下泥炭生态系统温室气体排放和碳氮平衡提供了重要的科学依据。