论文部分内容阅读
人类活动导致过去近百年间大气氮沉降增加了一倍。大量研究表明，氮沉降上升显著改变了土壤碳氮循环的关键过程，从而影响土壤的温室气体排放及活性氮的淋溶，并由此产生一系列严重的环境问题。研究植物及微生物如何调控土壤碳氮循环对氮沉降的响应，探讨地上地下过程的关联，是理解氮沉降如何影响土壤碳氮循环的基础。本研究基于内蒙古多伦长期多梯度氮添加实验平台，通过野外实验和室内培养实验，探讨了土壤呼吸及微生物活动对氮沉降的响应。同时，采用数据整合的方法，评估了抑制微生物硝化过程对土壤氮循环及氮的环境效应的影响。主要研究结果为: （一）氮沉降导致的植物群落变化抑制了自养和异养呼吸。 氮沉降通常会改变土壤呼吸及其组分间的比例关系。土壤理化特性及地表初级生产力的变化被认为是驱动氮沉降下土壤呼吸变化的重要原因。然而，氮沉降导致的群落组成的变化如何影响土壤呼吸的不同组分，尚缺乏相关研究。本论文选取内蒙典型草地生态系统为研究对象，使用挖沟隔离法对土壤呼吸的自养和异样组分进行了原位区分。实验发现:经过10年模拟氮添加处理，土壤pH随氮添加的上升显著降低。自养呼吸对氮添加表现为正响应，异养呼吸表现为负响应，总体上土壤呼吸对氮添加表现为负响应。结构方程模型显示，氮沉降下土壤酸化及氮的可利用性上升改变植物群落的组成，进而对自养和异养呼吸产生抑制效应，其主要机制可能是植物群落组成的变化降低了植物根系和微生物群落的丰富度及活性。尽管植物群落组成的改变对自养和异养呼吸产生抑制效应，氮沉降使植物地上光合产物供应的上升决定了自养呼吸对氮沉降的正响应;而异养呼吸的负响应主要是由土壤酸化导致。 （二）氮沉降下土壤酸化和微生物类群转化调节微生物对惰性碳的利用。 微生物对底物碳的利用效率是影响土壤有机碳库的形成和稳定性的重要因素。本研究利用内蒙典型草地氮添加平台的土壤样品，开展了203天的室内培养实验。通过添加13C标记的葡萄糖和苯酚，分别模拟在活性碳和惰性碳两种不同碳源下，典型草地土壤微生物的碳利用效率(carbon use efficiency, CUE)对氮沉降的响应及调控机制。研究结果表明:随着氮沉降的上升，微生物对活性碳的利用效率上升，对惰性碳的利用效率降低;微生物利用活性和惰性碳产生的激发效应均随氮梯度降低。这可能导致氮沉降下活性碳的输入更有利于土壤有机碳的形成和稳定。微生物对活性底物的碳利用效率主要受土壤pH的影响，而氮沉降对微生物对惰性碳的利用的影响机制较为复杂。结构方程模型结果显示，氮添加不仅直接抑制了微生物对底物碳的利用，还通过土壤酸化和微生物类群的改变间接影响微生物对惰性碳的利用。此外，土壤酸化还通过改变微生物类群的转化间接影响对惰性碳的利用。 （三）抑制微生物硝化过程能显著提高植物对氮的利用效率，同时大幅降低活性氮以气体和淋溶形式从系统中流失。 进入土壤中的活性氮主要通过微生物的硝化过程，最终以气体形式流失到大气中或以淋溶形式进入毗邻的水体中。使用整合分析和成本效益分析方法，本论文分析62个使用硝化抑制剂(NI)抑制微生物硝化过程的野外实验。结果表明:抑制硝化过程使可溶性无机氮的流失降低48％，N2O的排放减低44％、NO排放降低24％，但增加了20％氨气的排放，使系统氮的流失总体上减少16.5％。另外，硝化抑制剂抑制硝化过程大幅提高了植物对氮素的利用效率，表现在使植物组织氮浓度、氮的吸收和植物的氮回收率分别提高7％、15％和58％，从而使作物产量提高了10％。成本效益分析表明，抑制微生物硝化过程使每公顷玉米农田的收益较传统施氮模式下增加约9％。本研究结果显示，抑制微生物硝化过程既能减少氮肥对环境的负面影响，又能提高农田的经济效益。 本研究依托于内蒙古长期多梯度氮添加实验平台，开展了野外和室内培养实验，揭示了氮沉降下植物群落组成变化对土壤呼吸的抑制效应，发现了土壤酸化和微生物类群转化调节微生物对惰性碳的利用。同时，还通过整合分析发现，抑制微生物的硝化过程可以减少生态系统的氮流失，提高植物对氮的利用效率。本研究明确了氮沉降背景下植物和微生物对地下碳氮循环过程的调节作用，为预测未来全球变化背景下草地生态系统土壤碳平衡和土壤有机碳库稳定性提供参考。