Effects of Nitrogen Addition to Soil-Plant System in Alpine Steppe of Tianshan Mountain, Xinjiang

Abstract

随着农业、工业和城市化等活动的加剧导致大气氮沉降的日益增加，我国已成为继欧美之后的全球第三大氮沉降热点地区。持续升高的大气氮沉降导致通过大气输入土壤中的活性氮增加，而过量的氮输入会对陆地生态系统产生显著的负面影响，如草原植物多样性降低、土壤酸化和富营养化等。土壤酶活性在土壤有机质的降解过程发挥重要作用，释放出可以直接被植物和微生物等有机体吸收和利用的营养元素。氮沉降增加能直接或间接影响草地土壤酶活性并进而影响草地生态系统的能量流动和物质循环。氮添加对土壤酶活性的影响在农田和森林生态系统中研究比较成熟，而在草原生态系统研究较少，且相关报道主要集中在青藏高原和内蒙古草原，缺乏对新疆高寒草原的研究。新疆巴音布鲁克草原为我国第二大草原，通过旅游业和畜牧业为当地带来一定的经济收入，但是人类活动如放牧和农作物种植已引起该地区草原生态系统退化。本研究以巴音布鲁克草原紫花针茅群落（Stipa purpurea）为主要对象， 利用巴音布鲁克草原站长期氮添加实验平台，设置 5 个水平： N0（0 g N m-2 yr-1）、 N1（1 g N m-2 yr-1）、 N3（3 g N m-2 yr-1）、 N9（9 g N m-2 yr-1）和 N15（15 g N m-2 yr-1）， 研究长期氮添加对高寒草原植物计量化学、土壤养分状况、微生物群落组成和土壤酶活性的影响。 结果表明：（1）土壤酶活性对氮添加水平的响应存在非线性关系， α-1,4-葡糖苷酶（AG）、β-1,4-葡糖苷酶（βG）、 β-D-纤维二糖水解酶（CBH）、 β-1,4 木糖苷酶（βX） 和碱性磷酸酶（AKP） 活性随氮添加的增加先增加后降低，在 N3 水平达到酶活性最高值； 亮氨酸氨基肽酶（LAP） 和 N-乙酰-β-D 氨基葡萄糖苷酶（NAG）（N3 除外）活性随氮添加的增加而降低； 过氧化物酶（PER） 和多酚氧化酶（PPO） 活性表现出先降低后增加的趋势，在 N3 水平时酶活性达到最低值。（2）土壤碳、磷循环酶活性在夏季最低，氮循环酶活性在秋季最低，氧化还原酶活性在春季最低。（3）氮添加增加植物地上部生物量，促进植物磷养分重吸收效率（PRE），抑制氮养分重吸收效率（NRE）， 土壤酶活性与植物生物量、养分含量相关性不显著。（4） 在氮添加处理下，导致土壤酶活性变化的主要因子是土壤中的速效氮（AN）、 速效磷（AP） 和土壤含水率，植物和微生物等生物因素的作用并不明显。（5） 土壤酶活性（βG） :（AKP）（0.38） 和（LAP+NAG） :（AKP）（0.33）偏低， 植物 PRE 增加， NRE 降低及土壤酶活性向量角度大于 45°， 表明新疆天山高寒草原土壤养分循环更倾向于受 P 元素限制。（6）氮添加对细菌群落多样性无影响， N15水平降低真菌群落多样性。 氮添加增加了细菌群落的拟杆菌门、变形菌门和放线菌门相对丰度，降低了酸杆菌门和疣微菌门相对丰度； 增加了真菌群落的担子菌门，降低了子囊菌门