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青藏高原是全球气候和环境变化的敏感区和先兆区，正经历着明显的温暖化过程，而由此引起的土壤温度升高促进了土壤有机碳的矿化及矿质氮磷的释放;同时，青藏高原东缘地区存在着明显的大气氮沉降，并呈逐年增加的趋势，这些过程提高了土壤养分的可利用性。高寒草地是青藏高原极为重要的生态系统类型之一，独特的气候环境使该生态系统土壤蕴含大量有机碳。因此，深入揭示青藏高原高寒草地土壤有机碳对氮磷添加的响应，对准确预测和有效控制未来全球变化背景下区域及全球尺度陆地生态系统碳储量和碳平衡具有重要意义。然而，目前关于该区域土壤有机碳对氮磷添加的响应仍缺乏系统研究。为了阐明青藏高原高寒草地土壤有机碳对氮磷添加的响应及其内在机制，选取中国科学院海北高寒草地生态系统研究站养分添加试验(2011-2015)，分析土壤微生物群落组成和功能对不同氮添加水平的响应;结合有机碳分组和模型拟合方法，研究氮磷添加对土壤有机碳组分的影响及其与酶活性的关系;利用13C标记底物培养试验、生物标志物和团聚体分级技术，研究氮磷添加条件下微生物碳利用效率、微生物残留物和物理保护对土壤有机碳分解及稳定的影响;建立添加13C-葡萄糖培养试验，利用13C同位素示踪技术，研究外源易分解有机物质输入对氮磷添加处理土壤中有机碳分解的激发效应的影响，以及微生物介导机制。
养分添加试验包括两部分，一是氮沉降模拟试验，设置4个氮添加水平，即:对照(N0，未添加氮)、低水平氮添加(N25，25kg N ha-1yr-1)、中水平氮添加(N50，50kg N ha-1yr-1)和高水平氮添加(N100，100kg N ha-1yr-1);二是养分添加试验，处理包括:对照（Control，未添加养分）、氮单独添加(N，100kg N ha-1yr-1)、磷单独添加（P，50kg P ha-1yr-1）和氮磷同时添加(NP，100kg N ha-1yr-1+50kg P ha-1yr-1)。施用的氮和磷分别为尿素(Urea)和重过磷酸钙(Triple superphosphate)。养分添加在每年生长季的6、7和8月的月初，分3次进行，每次以年施用量的1/3将肥料均匀撒在样方内。取得的主要结论如下:
不同氮添加水平试验结果表明，氮添加增加了土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮。利用磷脂脂肪酸(PLFA)对土壤微生物群落研究发现，氮添加增加了细菌PLFAs尤其是革兰氏阴性（G-）细菌PLFAs含量，降低了革兰氏阳性(G+)/G-细菌比。氮添加促进了丛枝菌根真菌的生长，但降低了真菌/细菌比。文献整合分析表明，土壤有机碳含量对氮添加的响应随着氮添加量增加而增加。相反，本研究中氮添加降低了高寒草地土壤有机碳含量，可能是因为氮添加提高了微生物碳源利用和功能多样性，以及参与碳循环和氮循环的酶活性。整合分析表明，氧化酶活性对氮添加的响应与氮用量之间存在负相关关系;土壤C/N比是影响氧化酶活性对氮添加响应的关键因素，土壤C/N比12.4（8.9-17.3;95％置信区间）是氧化酶活性对氮添加呈现正负响应的临界值。本研究中土壤相对较高的C/N比和低的氮添加量诱导土壤酚氧化酶活性提高。很明显，氮添加改变了土壤微生物群落组成，提高了与碳周转关联微生物功能，并且微生物的响应随着氮添加量增加而增加。在全球变化背景下，氮添加存在着诱导高寒草地土壤有机碳含量降低的风险。
氮添加增加了植物地上生物量，降低了物种丰富度，主要是由于氮添加促进了优势植物禾草的生长。相反，氮磷添加降低了土壤有机碳含量，降幅为7.5-13.3％。氮磷添加降低土壤惰性有机碳含量，从对照处理的45.5g C kg-1降低至36.4-41.5g C kg-1。300天室内培养试验结果表明，与对照相比，氮磷添加条件下CO2累积排放量提高9.0-22.4％。利用双碳库指数衰减模型拟合土壤有机碳的矿化动态发现，氮磷添加减少了土壤缓效性碳库，从对照处理的96.6％降低至93.6-95.1％。氮磷添加提高了土壤微生物生物量、碳降解酶（β-1，4-葡萄糖苷酶、纤维素酶和多酚氧化酶）和氮降解酶（几丁质酶）的活性。CO2累积排放量与纤维素酶和几丁质酶活性呈正相关，而土壤缓效性碳库与纤维素酶和多酚氧化酶活性呈负相关。因此，氮磷添加通过提高微生物生物量和酶活性促进土壤惰性有机碳分解，使得有机碳从缓效性碳库向活性碳库转化，降低了土壤有机碳含量，可能导致青藏高原高寒草地土壤由碳汇变成碳源。
氮磷添加促使细菌群落向G-细菌（富营养型细菌）演替，磷单独添加增强了丛枝菌根真菌和腐生真菌之间竞争性相互作用。这些变化降低了微生物对葡萄糖碳的利用效率1.6-3.5％，香草醛碳利用效率下降幅度更达到8.5％。因此，氮磷添加使得更大比例的活性有机碳和难分解有机碳通过微生物呼吸损失，降低了土壤有机碳的含量。氮磷添加没有影响微生物残留物含量，但提高了真菌残留物对土壤有机碳的贡献。氮添加增加土壤丛枝菌根真菌丰度和真菌残留物含量，促使大团聚体（＞250μm）的质量比例提高16.5-20.3％。因此，氮添加条件下，真菌高度参与了土壤大团聚体的形成，从而加强土壤有机碳的物理保护，减缓土壤有机碳的分解和损失。高寒草地氮添加后土壤有机碳含量的下降可能是暂时的，需要继续监测野外试验中土壤有机碳的含量，以评估氮磷添加对高寒草地土壤有机碳的长期效应。
13C标记葡萄糖培养试验表明，N和NP处理土壤中葡萄糖分解释放的CO2量高于对照土壤，而P处理土壤中葡萄糖分解释放的CO2量低于对照土壤，说明添加的氮和磷在葡萄糖分解过程中起着不同的作用。葡萄糖的输入加速了土壤有机碳的矿化，表现为正激发效应，葡萄糖诱导的激发效应程度受控于添加的养分种类。与对照土壤相比，N和NP处理土壤提高了G-细菌（快速生长的r-型微生物）丰度，诱导激发效应增加了13.9-14.3％;P处理土壤增加了腐生真菌（生长缓慢的K-型微生物）丰度，诱导激发效应增加了25.1％，表明驱动激发效应的不同微生物潜在机制（“微生物化学计量学分解”和“微生物氮挖掘”）同时存在，取决于外源活性有机碳和土壤养分的有效性。外源13C-葡萄糖在G-细菌中的回收率最高，表明G-细菌在葡萄糖的利用中起着重要作用。与对照土壤相比，N和NP处理土壤中G-细菌同化的葡萄糖13C增加，而P处理土壤中腐生真菌和放线菌同化的葡萄糖13C增加。
综上所述，氮添加改变了土壤微生物群落组成，提高了与碳周转关联微生物功能，并且微生物的响应随着氮添加量增加而增加。氮磷添加通过改变土壤微生物群落组成，一方面提高土壤碳氮核心转化酶的活性，促进土壤惰性有机碳的分解，使得有机碳从缓效性碳库向活性碳库转化;另一方面降低土壤微生物的碳利用效率，导致更多的碳通过呼吸损失，减少土壤有机碳的固定。氮添加增加了土壤丛枝菌根真菌丰度和真菌残留物含量，有利于大团聚体的形成，加强了有机碳的物理保护，减缓了有机碳的损失。因此，氮添加条件下土壤有机碳含量的下降可能是暂时的。在外源易分解有机物质输入条件下，氮添加提高正激发效应，而磷单独添加导致正激发效应增加幅度更大。本研究阐明了氮磷富集影响微生物对土壤碳循环过程的调节效应和机制，为预测未来全球变化背景下高寒草地生态系统土壤碳平衡和土壤有机碳库稳定性提供理论依据，同时可为高寒草地生态系统可持续管理提供科学支撑。未来的研究需结合土壤有机碳输入与输出过程，明确氮磷富集对土壤有机碳组成与稳定性在不同时间尺度下动态变化的影响。
养分添加试验包括两部分，一是氮沉降模拟试验，设置4个氮添加水平，即:对照(N0，未添加氮)、低水平氮添加(N25，25kg N ha-1yr-1)、中水平氮添加(N50，50kg N ha-1yr-1)和高水平氮添加(N100，100kg N ha-1yr-1);二是养分添加试验，处理包括:对照（Control，未添加养分）、氮单独添加(N，100kg N ha-1yr-1)、磷单独添加（P，50kg P ha-1yr-1）和氮磷同时添加(NP，100kg N ha-1yr-1+50kg P ha-1yr-1)。施用的氮和磷分别为尿素(Urea)和重过磷酸钙(Triple superphosphate)。养分添加在每年生长季的6、7和8月的月初，分3次进行，每次以年施用量的1/3将肥料均匀撒在样方内。取得的主要结论如下:
不同氮添加水平试验结果表明，氮添加增加了土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮。利用磷脂脂肪酸(PLFA)对土壤微生物群落研究发现，氮添加增加了细菌PLFAs尤其是革兰氏阴性（G-）细菌PLFAs含量，降低了革兰氏阳性(G+)/G-细菌比。氮添加促进了丛枝菌根真菌的生长，但降低了真菌/细菌比。文献整合分析表明，土壤有机碳含量对氮添加的响应随着氮添加量增加而增加。相反，本研究中氮添加降低了高寒草地土壤有机碳含量，可能是因为氮添加提高了微生物碳源利用和功能多样性，以及参与碳循环和氮循环的酶活性。整合分析表明，氧化酶活性对氮添加的响应与氮用量之间存在负相关关系;土壤C/N比是影响氧化酶活性对氮添加响应的关键因素，土壤C/N比12.4（8.9-17.3;95％置信区间）是氧化酶活性对氮添加呈现正负响应的临界值。本研究中土壤相对较高的C/N比和低的氮添加量诱导土壤酚氧化酶活性提高。很明显，氮添加改变了土壤微生物群落组成，提高了与碳周转关联微生物功能，并且微生物的响应随着氮添加量增加而增加。在全球变化背景下，氮添加存在着诱导高寒草地土壤有机碳含量降低的风险。
氮添加增加了植物地上生物量，降低了物种丰富度，主要是由于氮添加促进了优势植物禾草的生长。相反，氮磷添加降低了土壤有机碳含量，降幅为7.5-13.3％。氮磷添加降低土壤惰性有机碳含量，从对照处理的45.5g C kg-1降低至36.4-41.5g C kg-1。300天室内培养试验结果表明，与对照相比，氮磷添加条件下CO2累积排放量提高9.0-22.4％。利用双碳库指数衰减模型拟合土壤有机碳的矿化动态发现，氮磷添加减少了土壤缓效性碳库，从对照处理的96.6％降低至93.6-95.1％。氮磷添加提高了土壤微生物生物量、碳降解酶（β-1，4-葡萄糖苷酶、纤维素酶和多酚氧化酶）和氮降解酶（几丁质酶）的活性。CO2累积排放量与纤维素酶和几丁质酶活性呈正相关，而土壤缓效性碳库与纤维素酶和多酚氧化酶活性呈负相关。因此，氮磷添加通过提高微生物生物量和酶活性促进土壤惰性有机碳分解，使得有机碳从缓效性碳库向活性碳库转化，降低了土壤有机碳含量，可能导致青藏高原高寒草地土壤由碳汇变成碳源。
氮磷添加促使细菌群落向G-细菌（富营养型细菌）演替，磷单独添加增强了丛枝菌根真菌和腐生真菌之间竞争性相互作用。这些变化降低了微生物对葡萄糖碳的利用效率1.6-3.5％，香草醛碳利用效率下降幅度更达到8.5％。因此，氮磷添加使得更大比例的活性有机碳和难分解有机碳通过微生物呼吸损失，降低了土壤有机碳的含量。氮磷添加没有影响微生物残留物含量，但提高了真菌残留物对土壤有机碳的贡献。氮添加增加土壤丛枝菌根真菌丰度和真菌残留物含量，促使大团聚体（＞250μm）的质量比例提高16.5-20.3％。因此，氮添加条件下，真菌高度参与了土壤大团聚体的形成，从而加强土壤有机碳的物理保护，减缓土壤有机碳的分解和损失。高寒草地氮添加后土壤有机碳含量的下降可能是暂时的，需要继续监测野外试验中土壤有机碳的含量，以评估氮磷添加对高寒草地土壤有机碳的长期效应。
13C标记葡萄糖培养试验表明，N和NP处理土壤中葡萄糖分解释放的CO2量高于对照土壤，而P处理土壤中葡萄糖分解释放的CO2量低于对照土壤，说明添加的氮和磷在葡萄糖分解过程中起着不同的作用。葡萄糖的输入加速了土壤有机碳的矿化，表现为正激发效应，葡萄糖诱导的激发效应程度受控于添加的养分种类。与对照土壤相比，N和NP处理土壤提高了G-细菌（快速生长的r-型微生物）丰度，诱导激发效应增加了13.9-14.3％;P处理土壤增加了腐生真菌（生长缓慢的K-型微生物）丰度，诱导激发效应增加了25.1％，表明驱动激发效应的不同微生物潜在机制（“微生物化学计量学分解”和“微生物氮挖掘”）同时存在，取决于外源活性有机碳和土壤养分的有效性。外源13C-葡萄糖在G-细菌中的回收率最高，表明G-细菌在葡萄糖的利用中起着重要作用。与对照土壤相比，N和NP处理土壤中G-细菌同化的葡萄糖13C增加，而P处理土壤中腐生真菌和放线菌同化的葡萄糖13C增加。
综上所述，氮添加改变了土壤微生物群落组成，提高了与碳周转关联微生物功能，并且微生物的响应随着氮添加量增加而增加。氮磷添加通过改变土壤微生物群落组成，一方面提高土壤碳氮核心转化酶的活性，促进土壤惰性有机碳的分解，使得有机碳从缓效性碳库向活性碳库转化;另一方面降低土壤微生物的碳利用效率，导致更多的碳通过呼吸损失，减少土壤有机碳的固定。氮添加增加了土壤丛枝菌根真菌丰度和真菌残留物含量，有利于大团聚体的形成，加强了有机碳的物理保护，减缓了有机碳的损失。因此，氮添加条件下土壤有机碳含量的下降可能是暂时的。在外源易分解有机物质输入条件下，氮添加提高正激发效应，而磷单独添加导致正激发效应增加幅度更大。本研究阐明了氮磷富集影响微生物对土壤碳循环过程的调节效应和机制，为预测未来全球变化背景下高寒草地生态系统土壤碳平衡和土壤有机碳库稳定性提供理论依据，同时可为高寒草地生态系统可持续管理提供科学支撑。未来的研究需结合土壤有机碳输入与输出过程，明确氮磷富集对土壤有机碳组成与稳定性在不同时间尺度下动态变化的影响。