貝加爾針茅草原植物與土壤微生物群落對(duì)氮素和水分添加的響應(yīng).pdf

1、大氣氮沉降增加和降水格局變化作為全球氣候變化的重要現(xiàn)象，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)可產(chǎn)生重要的影響。研究氮沉降和降水變化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)植物和土壤微生物群落的影響，可為全面分析和評(píng)估全球變化對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的影響，為草地的合理利用、生物多樣性保護(hù)和退化草地恢復(fù)提供理論依據(jù)。本研究基于貝加爾針茅草原長(zhǎng)期外源氮素和水分添加模擬氮沉降和夏季降水增加的野外控制試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)設(shè)8個(gè)氮添加水平(0、15、30、50、100、150、200、300 kg N hm-

2、2a-1)和2個(gè)水分添加水平（不灌溉、模擬夏季增雨100 mm灌溉），采用高通量測(cè)序技術(shù)等，研究氮沉降和降水增加對(duì)貝加爾針茅草原植物多樣性、草原生產(chǎn)力、土壤理化性質(zhì)、土壤細(xì)菌群落和土壤真菌群落結(jié)構(gòu)及其多樣性的影響。主要結(jié)果如下:
　　1.氮素和水分添加條件下，植物多樣性與草原生產(chǎn)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植物群落組成發(fā)生改變。在單一氮添加條件下，植物多樣性隨氮添加水平增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，N15-N30處理下升高，但變化不顯著，N50

3、-N300處理降低，N150-N300處理顯著降低。氮素和水分同時(shí)添加條件下，植物多樣性隨氮添加水平增加而持續(xù)降低，N30-N300處理下極顯著降低。草原生產(chǎn)力在兩種條件下均隨氮添加水平增加而逐漸增加，N50-N300處理極顯著增加。氮素和水分對(duì)植物多樣性和草原生產(chǎn)力的影響存在顯著的互作效應(yīng)。即在相同的氮素添加水平下，水分添加放大了氮添加對(duì)植物多樣性的負(fù)面效應(yīng)及對(duì)草原生產(chǎn)力的正面效應(yīng)。
　　2.在單一氮添加條件下，隨著氮添加水平增

4、加，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈先升高后降低趨勢(shì)，N100-N150處理時(shí)顯著增加;硝態(tài)氮含量呈逐漸增加趨勢(shì)，N100-N300處理顯著增加;銨態(tài)氮含量呈先升高后降低趨勢(shì)，N50-N100處理最高;土壤pH呈逐漸降低趨勢(shì)，N200-N300處理顯著降低;土壤碳氮比和土壤含水量變化不顯著。氮素和水分對(duì)土壤理化因子也存在顯著的互作效應(yīng)。水分添加后，隨著氮添加水平增加，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈逐漸增加趨勢(shì)，N50-N300處理顯著增加;土壤硝態(tài)氮和銨

5、態(tài)氮含量在N150-N300處理顯著增加;pH呈逐漸降低趨勢(shì)，N100-N300處理顯著降低;土壤碳氮比在N150-N300有明顯降低趨勢(shì)，N300處理變化顯著。
　　3.氮素和水分添加條件下，土壤細(xì)菌群落中的優(yōu)勢(shì)門類有疣微菌門Verrucomicrobia(30.61％-48.51％)、變形菌門Proteobacteria(21.37％-29.97％)、酸桿菌門Acidobacteria(9.54％-20.67％)和擬桿菌門Ba

6、cteroidetes(4.96％-9.74％)。共有19個(gè)土壤細(xì)菌門類相對(duì)豐度變化顯著。疣微菌門和酸桿菌門可作為土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化的指示類群。氮素和水分添加改變了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤細(xì)菌多樣性變化存在極顯著的互作效應(yīng)。單一氮添加條件下，土壤細(xì)菌多樣性在N100-N300處理顯著升高。而水分添加后，土壤細(xì)菌多樣性在N15-N50處理時(shí)升高，N50處理顯著升高，但在N100-N300處理時(shí)顯著降低。在相同的氮添加水平下，水分添加在N

7、15-N50處理時(shí)顯著提高了土壤細(xì)菌多樣性，但在N100-N300處理時(shí)顯著降低了細(xì)菌多樣性。
　　4.氮素和水分添加條件下，土壤真菌群落中占優(yōu)勢(shì)的門類有接合菌門Zygomycota(22.0％-48.9％)、擔(dān)子菌門Basidiomycota(7.8％-18.5％)、子囊菌門Ascomycota(9.4％-20.1％)、球囊菌門Glomeromycota(0.7％-3.1％)、壺菌門Chytridiomycota(0.1％-1.

8、3％)。其中，有5個(gè)土壤真菌門類11個(gè)真菌綱相對(duì)豐度變化顯著。接合菌門的Mortierella屬，擔(dān)子菌門的Entolomataceae科和Geastrum屬可作為土壤真菌群落結(jié)構(gòu)變化的指示類群。氮素和水分添加改變了土壤真菌群落結(jié)構(gòu)，且兩者存在互作效應(yīng)。土壤真菌多樣性在單一氮添加條件下N100-N300時(shí)顯著升高，但氮素和水分同時(shí)添加，其變化不顯著。
　　5.氮素和水分添加條件下，影響土壤細(xì)菌群落發(fā)生變化的主要因素是土壤NO3--

9、N含量的變化，其次是pH的變化，兩者既直接影響土壤細(xì)菌多樣性，又通過影響植物群落組成及物種豐富度間接影響細(xì)菌群落多樣性。而改變土壤真菌群落的主要驅(qū)動(dòng)因素是植物群落組成及物種豐富度的變化，其次是土壤含水量。土壤無機(jī)氮及pH的變化主要通過影響植物群落間接影響真菌群落，其對(duì)真菌群落的直接影響則較小。
　　6.綜合分析植物和土壤相關(guān)因子變化，不同生物及其多樣性對(duì)氮素和水分添加的響應(yīng)不同。在本試驗(yàn)條件下，單一100kg N hm-2 a-1

10、的氮添加水平草原生產(chǎn)力是對(duì)照的2.46倍，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量、細(xì)菌和真菌多樣性顯著升高，植物多樣性未顯著降低，表明在當(dāng)前的降水格局下，貝加爾針茅草原氮肥施用閡值為100 kg N hm-2 a-1;在氮素和水分同時(shí)添加條件下，30 kg N hm-2 a-1及以上氮添加水平，土壤有機(jī)質(zhì)含量和草原生產(chǎn)力增加的同時(shí)，草原群落植物多樣性顯著降低，土壤細(xì)菌多樣性在大于50 kg N hm-2 a-1的氮添加水平下也顯著降低，表明氮沉降和降水增