不同形态大气沉降氮在典型草甸草原生态系统中的分配及存留机制

The key pathway of ecosystem nitrogen (N) sequestration and sustainability lies in the allocation of atmospheric N in plant and soil compartments and divergent N retention capacity of soil aggregate fractions. Previous studies mainly focused on the effect of atmospheric N dose but overlooked N forms on ecosystems. Also, it remains unclear for the distribution patterns of different N forms in plant-soil system and the impact of soil aggregates on ecosystem N retention. Meadow grassland in northeast China is the area sensitive to global change. This project relies on a field manipulation of simulated N deposition in Erguna Forest and Grassland Ecotone Station of Chinese Academy of Sciences. We will utilize 15N stable isotope technique to trace the allocation of nitrate and ammonium in the organs (including root, stem and leaf) of five dominant plant species and quantify their distribution across soil profiles and aggregates. By considering N retention capacity of soil aggregates, the study can reveal the allocation traits and retention mechanisms of atmospheric N in the meadow grassland ecosystem. The project can provide scientific basis for understanding how various ecosystem components responding to N deposition as well as how to reduce ecosystem N losses and increase ecosystem N buffering capacity. It can also provide new data sets and evidence for improving ecosystem N-cycling theory and optimizing N-cycling models of grassland ecosystems.

大气沉降氮在植物和土壤中的分配，以及土壤各粒级团聚体氮留存能力的差异，是生态系统氮截获和持续供应的关键。以往研究多关注氮沉降量而忽视氮沉降形态对生态系统的影响，且不同形态沉降氮在草原植物-土壤中的分配规律，及团聚体对生态系统氮存留量的影响依然不明确。中国东北草甸草原区是全球变化敏感区，本项目利用中科院额尔古纳森林草原过渡带生态站氮沉降野外模拟控制实验平台，通过15N稳定性同位素示踪技术，研究不同形态氮素（硝态氮和铵态氮）在典型草甸草原5种优势植物各器官（根、茎和叶）中分配状况，及其在土壤各层次和各粒径团聚体内的分布特征，量化各粒径团聚体氮留存能力，揭示大气沉降氮在该生态系统植物-土壤中的分配问题及存留机制。本研究将为理解生态系统各组分对氮沉降响应、减少生态系统氮损失和增加生态系统氮缓冲能力提供理论支撑，为完善和优化草原生态系统氮循环理论及模型提供科学证据和数据支持。

生态系统对不同形态大气沉降养分的留存特征，是土壤与植物组分缓冲氮沉降影响的关键机制。然而，目前草原土壤和植物对大气沉降氮主要成分硝态氮和铵态氮的留存能力，尤其是土壤团聚体在氮留存过程中发挥的作用，尚不明确。为此，本项目依托中科院额尔古纳森林草原过渡带生态站建立了长期野外控制实验平台，系统研究了外源氮对生态系统土壤与植物系统元素含量的变化，结合氮稳定性同位素技术，进一步揭示外源氮对关键氮循环过程的影响机制，以及外源硝态氮和铵态氮在5种优势植物、不同层次土壤及0-10 cm土壤团聚体的归趋动态。主要获得以下研究进展：1）氮添加导致优势物种与微生物的δ15N下降，植物与微生物的氮吸收偏好趋同于硝态氮；2）氮添加促进土壤碳、氮、磷周转酶活性，增加土壤大团聚体有机碳含量，加速矿物结合态无机磷向有效磷转化；3）该草甸草原对铵态氮留存总量远高于硝态氮，其中优势植物氮吸收偏好是导致植物对硝态氮留存量大于铵态氮的主要原因，小团聚体是土壤氮留存的主要结构单元。通过该项目的研究，明晰了土壤与植物组分内元素转化对外源氮的响应特征，厘清了不同形态外源氮在生态系统的归趋动态，为评估生态系统所处的氮状态及氮素生物地球化学模型的优化提供理论依据与数据参考。项目按照计划任务书执行，发表了15篇论文，其中SCI论文13篇。