贝加尔针茅草原植物与土壤微生物群落对氮素和水分添加的响应

来源 :中国农业科学院 | 被引量 : 23次 | 上传用户:wosliuxiang1
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大气氮沉降增加和降水格局变化作为全球气候变化的重要现象,对草地生态系统可产生重要的影响。研究氮沉降和降水变化对草地生态系统植物和土壤微生物群落的影响,可为全面分析和评估全球变化对草原生态系统的影响,为草地的合理利用、生物多样性保护和退化草地恢复提供理论依据。本研究基于贝加尔针茅草原长期外源氮素和水分添加模拟氮沉降和夏季降水增加的野外控制试验平台,试验设8个氮添加水平(0、15、30、50、100、150、200、300 kg N hm-2a-1)和2个水分添加水平(不灌溉、模拟夏季增雨100 mm灌溉),采用高通量测序技术等,研究氮沉降和降水增加对贝加尔针茅草原植物多样性、草原生产力、土壤理化性质、土壤细菌群落和土壤真菌群落结构及其多样性的影响。主要结果如下:1.氮素和水分添加条件下,植物多样性与草原生产力呈负相关关系,植物群落组成发生改变。在单一氮添加条件下,植物多样性随氮添加水平增加呈现先升高后降低的趋势,N15–N30处理下升高,但变化不显著,N50-N300处理降低,N150–N300处理显著降低。氮素和水分同时添加条件下,植物多样性随氮添加水平增加而持续降低,N30–N300处理下极显著降低。草原生产力在两种条件下均随氮添加水平增加而逐渐增加,N50-N300处理极显著增加。氮素和水分对植物多样性和草原生产力的影响存在显著的互作效应。即在相同的氮素添加水平下,水分添加放大了氮添加对植物多样性的负面效应及对草原生产力的正面效应。2.在单一氮添加条件下,随着氮添加水平增加,土壤有机质和全氮含量呈先升高后降低趋势,N100-N150处理时显著增加;硝态氮含量呈逐渐增加趋势,N100-N300处理显著增加;铵态氮含量呈先升高后降低趋势,N50-N100处理最高;土壤pH呈逐渐降低趋势,N200-N300处理显著降低;土壤碳氮比和土壤含水量变化不显著。氮素和水分对土壤理化因子也存在显著的互作效应。水分添加后,随着氮添加水平增加,土壤有机质和全氮含量呈逐渐增加趋势,N50-N300处理显著增加;土壤硝态氮和铵态氮含量在N150-N300处理显著增加;pH呈逐渐降低趋势,N100-N300处理显著降低;土壤碳氮比在N150-N300有明显降低趋势,N300处理变化显著。3.氮素和水分添加条件下,土壤细菌群落中的优势门类有疣微菌门Verrucomicrobia(30.61%—48.51%)、变形菌门Proteobacteria(21.37%—29.97%)、酸杆菌门Acidobacteria(9.54%—20.67%)和拟杆菌门Bacteroidetes(4.96%—9.74%)。共有19个土壤细菌门类相对丰度变化显著。疣微菌门和酸杆菌门可作为土壤细菌群落结构变化的指示类群。氮素和水分添加改变了土壤细菌群落结构,对土壤细菌多样性变化存在极显著的互作效应。单一氮添加条件下,土壤细菌多样性在N100–N300处理显著升高。而水分添加后,土壤细菌多样性在N15-N50处理时升高,N50处理显著升高,但在N100-N300处理时显著降低。在相同的氮添加水平下,水分添加在N15-N50处理时显著提高了土壤细菌多样性,但在N100-N300处理时显著降低了细菌多样性。4.氮素和水分添加条件下,土壤真菌群落中占优势的门类有接合菌门Zygomycota(22.0%—48.9%)、担子菌门Basidiomycota(7.8%—18.5%)、子囊菌门Ascomycota(9.4%—20.1%)、球囊菌门Glomeromycota(0.7%—3.1%)、壶菌门Chytridiomycota(0.1%—1.3%)。其中,有5个土壤真菌门类11个真菌纲相对丰度变化显著。接合菌门的Mortierella属,担子菌门的Entolomataceae科和Geastrum属可作为土壤真菌群落结构变化的指示类群。氮素和水分添加改变了土壤真菌群落结构,且两者存在互作效应。土壤真菌多样性在单一氮添加条件下N100-N300时显著升高,但氮素和水分同时添加,其变化不显著。5.氮素和水分添加条件下,影响土壤细菌群落发生变化的主要因素是土壤NO3-―N含量的变化,其次是pH的变化,两者既直接影响土壤细菌多样性,又通过影响植物群落组成及物种丰富度间接影响细菌群落多样性。而改变土壤真菌群落的主要驱动因素是植物群落组成及物种丰富度的变化,其次是土壤含水量。土壤无机氮及pH的变化主要通过影响植物群落间接影响真菌群落,其对真菌群落的直接影响则较小。6.综合分析植物和土壤相关因子变化,不同生物及其多样性对氮素和水分添加的响应不同。在本试验条件下,单一100 kg N hm-2 a-1的氮添加水平草原生产力是对照的2.46倍,土壤有机质、全氮含量、细菌和真菌多样性显著升高,植物多样性未显著降低,表明在当前的降水格局下,贝加尔针茅草原氮肥施用阈值为100 kg N hm-2 a-1;在氮素和水分同时添加条件下,30 kg N hm-2 a-1及以上氮添加水平,土壤有机质含量和草原生产力增加的同时,草原群落植物多样性显著降低,土壤细菌多样性在大于50 kg N hm-2 a-1的氮添加水平下也显著降低,表明氮沉降和降水增多同时发生,草原生物多样性丧失风险是存在的。要揭示氮素和水分添加对草原生态系统的影响,单一用某一个生物多样性或生产力指标来评价是不全面的,今后应将地上、地下生物多样性与草原生产力整合到一个框架内,进行长期、综合的联网研究。
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