氮添加对青藏高原高寒草甸土壤碳、氮循环的影响：关键过程与机制

Since the industrial revolution, human emissions large amount of reactive nitrogen into the atmosphere, as a result of atmospheric nitrogen deposition increased, which has been affecting the carbon and nitrogen cycle of terrestrial ecosystems, seriously. Although many studies have been conducted, due to the complexity and chronicity of soil carbon and nitrogen cycling, less is known about the effects and mechanisms of exogenous nitrogen on carbon and nitrogen budget and turnover process in the soil. We want to choose a long time nitrogen fertilization experiment in the Qinghai-Tibetan plateau alpine meadow, and using 13C and 15N stable isotope tracer and high-throughput sequencing technology, aims to study: quantify the effects of exogenous nitrogen on soil carbon pools, flows, and transfer rate in the alpine meadow; investigate the effects of exogenous nitrogen on soil nitorgen mineralization, nitrification and denitrification processes and to explore the mechanism; clarify the role of soil physics-chemistry factors and soil organisms on soil carbon and nitrogen cycling respond to the exogenous nitrogen; elucidate the mechanism of exogenous nitrogen action on soil carbon and nitrogen cycling. This study will improve our understanding of carbon and nitrogen cycling in the terrestrial ecosystems, and provide the scientific proofs for predicting the global ecological effect of atmospheric nitrogen deposition.

工业革命以来，人类活动向大气中排放了大量的活性氮，由此而导致的大气氮沉降增加正严重影响着陆地生态系统的碳、氮循环。尽管国内外学者已做了大量的工作，由于土壤碳、氮循环过程复杂性和长周期性，外源氮对土壤碳、氮收支、周转等关键过程的影响及其机制仍不清楚。本项目以青藏高原高寒草甸生态系统为研究对象，依托长期氮素施肥实验平台，采用13C、15N稳定同位素示踪、土壤微生物高通量测序和功能基因定量等技术，研究外源氮素添加后高寒草甸土壤碳输入、输出及各组分碳库大小和周转速率的变化特征；外源氮素对高寒草甸土壤不同形态氮库大小及其转化过程的影响机制；土壤理化和生物因子在外源氮素添加对土壤碳、氮转化过程影响中的作用。在此基础上，阐明外源氮素对高寒草甸土壤碳、氮循环关键过程的影响机制，补充陆地生态系统碳、氮循环理论，为预测大气氮沉降增加所导致的生态效应提供一定的依据。

本项目依托兰州大学甘肃甘南草原生态系统国家野外科学观测研究站2012年建立的长期氮添加实验平台，研究了外源氮素输入对高寒草甸生态系统碳循环过程和土壤碳库、氮素利用和土壤氮转化以及土壤微生物群落和功能的影响，研究发现：① 氮添加导致植物群落结构发生改变、多样性下降，土壤酸化，速效氮含量增加，植物的碳同化能力提高，同时，氮添加增加了土壤中的碳分配量，改变了碳在土壤中的垂直分配格局，使深层土壤的碳分配量增加，说明氮添加具有提高高寒草甸生态系统土壤碳固存的潜力；② 外源氮素在经过一个生长季节后，仍有90%保留在土壤-植物系统中，流失较小，表明青藏高原高寒草甸氮素利用效率较高，长期15 g N m-2 y-1氮添加量仍未达到饱和。氮添加显著降低了土壤氮矿化速率，却显著增加了氮硝化速率；③ 氮添加抑制了土壤微生物生长，减少了微生物生物量，改变了微生物群落组成，改变了土壤酶活性格局；④ 氮添加直接或通过影响植物生物量和质量（N、P含量）、土壤pH和速效氮以及土壤微生物量间接影响了微生物残体的积累，使得土壤中较稳定的微生物残体含量增加，这将有助于提高高寒草甸土壤的固碳能力；⑤ 土壤微生物的多功能性随氮添加量的增加而升高，但植物多功能性却随氮添加量的增加而降低。总之，适量（5-10g N m-2）外源氮素的加入有助于提高高寒草甸生态系统的生产力，增加土壤中有机碳含量，提高土壤的固碳能力，但过量的氮素加入将导致植物多样性下降、土壤碳、氮循环等生态过程改变等，对生态系统（稳定性，多功能性）产生不利影响。本项目的研究补充了我们对高寒生态系统响应氮添加的格局和机制的认识，研究成果对高寒草地可持续利用管理提供了理论支撑。