氮沉降对贝加尔针茅草原土壤碳氮转化及微生物学特性的影响

摘要

草原生态系统是陆地生态系统重要组成部分，氮沉降增加威胁草原生态系统生物多样性和生态系统功能的发挥。本研究基于在内蒙古贝加尔针茅草原建立的长期模拟氮沉降试验为平台，探索氮沉降增加背景下贝加尔针茅草原土壤碳氮转化特征和土壤微生物群落演替规律及其耦合关系。主要研究结果如下: 1.高氮添加(N100-N300)提高了0-10cm土层、10-20cm土层土壤有机碳、硝态氮、铵态氮和速效磷含量，显著降低了两个土层的土壤pH。 2.氮添加促进了土壤硝化作用，抑制了土壤氨化作用。N15-N30处理提高了有机碳转化速率，N50-N300处理降低了有机碳转化速率。土壤有机碳转化速率显著影响MBN转化速率，且符合一元线性回归方程。 3.高氮添加(N100-N300)降低了0-10cm土层脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶、过氧化物酶和蔗糖酶活性，降低了10-20cm土层过氧化物酶和蔗糖酶活性。土壤pH值、硝态氮、MBC和MBN氮是影响土壤酶活性的主要影响因素。 4.氮添加处理两个土层土壤B PLFAs/FPLFAs比值均低于或显著低于对照N0，且不同氮添加处理间差异显著。高氮添加、低氮添加及无氮添加下土壤微生物对碳源利用能力上存在较大差异。100kg N·hm-2·a-1氮添加量是土壤微生物活性从促进到抑制的一个阈值。 5.高氮添加(N150-N200)显著改变土壤细菌群落结构。氮添加处理(N30-N300)降低了酸杆菌门、疣微菌门和绿弯菌门相对丰度，提高了变形菌门、放线菌门和芽单胞菌门相对丰度。土壤pH值、硝态氮、铵态氮和全磷含量是引起土壤细菌群落结构变化的主要影响因素。 6.氮添加改变土壤真菌群落结构，降低了真菌的Shannon多样性指数。0-10cm土层与10-20cm土层各氮添加处理相对丰度在门、纲、属水平上均存在显著差异。氮添加处理显著降低了担子菌门相对丰度，提高了10-20cm土层球囊菌门相对丰度。高氮添加(N100-N300)显著降低了0-10cm土层子囊菌门相对丰度。土壤pH、有机碳、硝态氮和速效磷含量是引起土壤真菌群落组成发生变化的主要影响因素。 7.低于200kg N·hm-2·a-1氮添加量有利于固氮菌生长。高氮添加(N100-N300)显著提高了AOB基因丰度，降低了AOA基因丰度。高氮添加(N150-N300)显著降低了nirK基因丰度。高氮添加促进了AOB主导的氨氧化过程，而反硝化微生物丰度的减少促进了氨氧化产物硝酸盐的积累，继而提高了土壤硝酸盐含量。 本研究表明，持续氮沉降增加促进土壤有机碳积累，显著增加土壤硝态氮含量，对土壤全氮含量的提高作用相对较小。土壤碳氮转化速率与土壤MBC、MBN显著相关。氮沉降增加不利于维持贝加尔针茅草原土壤微生物群落结构、菌群平衡和持续稳定，对土壤碳氮循环产生负面影响。