大气氮沉降对森林生物固氮速率影响的阈值和机制研究－以燕山北部山地典型天然林为例

Biological nitrogen fixation (BNF) is the primary natural input of N to ecosystems. With the rapid increase of global N deposition, it has an important effect on the rate of BNF. However, the threshold value above which N2 fixation is inhibited and the mechanism of N deposition effecting on the rates of BNF are not clear, especially in the forest ecosystem with many types of BNF. In this study, we set an N addition gradient experiment with ten treatments in typical natural forests in the northern Yanshan Mountain, to explore the threshold values of N addition effecting on BNF in different types including symbiotic N2 fixation and free-living N2 fixation. Moreover, we conduct some N addition experiments in the laboratory, and analyse the change of the quantity, composition and structure of N2-fixer communities after N addition. Finally, by comparing and analysing the results of field experiments and laboratory experiments, we explore the process and mechanism of the effects of N deposition on BNF from the perspectives of species interactions and resource limitation. This study will provide a basis for the regional assessment of the effect of N deposition on forest BNF, and also for the improvement of ecological models.

生物固氮是自然条件下氮素进入生态系统的主要途径。随着全球大气氮沉降的急剧增加，其对生物固氮速率产生了重要影响。然而，目前关于氮沉降影响生物固氮速率的阈值（阈值下限：氮沉降高于该值时生物固氮速率受到抑制；阈值上限：氮沉降高于该值时生物固氮速率不再变化或者停止）和机制还不清楚，尤其是在包含多种固氮类型的森林生态系统。本研究拟以燕山北部山地典型的杨桦天然林为研究对象，通过设置10种添加量的高密度氮添加梯度野外实验，旨在揭示氮添加对森林共生固氮和自由固氮速率影响的阈值；通过设计多个氮添加室内控制实验，借助分子生物学技术（PCR、T-RFLP法），分析固氮菌群落的数量、组成和结构的变化。最后，综合分析野外和室内实验结果，从种间关系和资源限制角度，阐明氮沉降影响森林生物固氮的过程和机制，为氮沉降影响森林生物固氮的区域评估和生态模型改进提供基础。

揭示大气氮沉降对森林生物固氮速率影响的阈值及其潜在机制，对于全面理解氮沉降的生态效应至关重要。本研究以燕山北部山地典型森林生态系统为研究对象，通过设置多梯度的氮添加野外控制实验，结合室内培养实验和分子生物学技术（荧光定量PCR，高通量测序），测定了土壤理化性质、植物生长、土壤酶活性、土壤固氮速率、土壤微生物群落数量及结构等多项指标，初步揭示了氮输入对森林土壤固氮速率影响的阈值及固氮菌群落变化的生物环境机制。主要进展和结果如下：（1）搭建了多梯度森林生态系统氮添加野外实验平台，建立了乔木、草本、土壤主要指标本底及动态监测数据库；（2）短期氮添加对土壤固氮酶活性和固氮速率的影响呈先增加后降低的单峰曲线模式，抑制固氮速率的氮添加阈值在40 kg N ha-1 yr-1左右；（3）氮添加对乔木胸径生长的影响也呈现先增加后降低的趋势，大径级的树木响应比小径级树木大，春材比秋材响应大；（4）氮添加对土壤全量养分及pH还未有明显影响，但显著降低了土壤铵态氮浓度，增加了土壤硝态氮浓度；（5）氮添加显著增加了参与氮循环的亮氨酸氨基肽酶（LAP）的活性，整体降低了参与碳循环的β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）的活性；（6）氮添加降低了固氮功能基因（nifH）的数量和多样性，改变了其组成和结构，但对细菌和真菌整体的数量和多样性没有明显影响；（7）通过综合数据分析，基于微生物贫营养-富营养理论，初步发现氮添加形成了土壤NO3--N富集的环境，进而增强了富营养型细菌（如放线菌）的竞争优势从而抑制固氮菌的生长和分布，这可能是氮添加初期固氮菌群落多样性显著降低的主要原因。研究结果为理解氮沉降对森林土壤生物固氮及氮循环的早期影响提供了科学依据，并为连续研究氮沉降的生态效应奠定了基础。