环境变化对内蒙古草原小叶锦鸡儿和羊草土壤氮素转化的影响

氮素是影响内蒙古温带典型草原植物生长和初级生产力的主要因素之一，土壤氮素的可利用性及其对全球环境变化的响应对于预测生态系统碳氮平衡显得尤为重要。空气中的游离氮和土壤中的有机氮必须通过固氮作用和矿化作用，转化为无机氮才能被绝大多数高等植物直接利用，氮素转化决定土壤氮素有效性。因此，研究环境变化对草原灌丛豆科固氮植物小叶锦鸡儿和草原优势植物种羊草土壤氮素转化重要生物过程的影响，对于进一步了解草原氮库变化及其对环境变化的可能响应有重要意义。 在中国科学院内蒙古草原生态系统定位站，利用开顶式生长室（Open-top chamber，OTC）控制实验模拟环境变化，经过三年的实验处理，研究氮素、水分和CO2浓度变化对小叶锦鸡儿根瘤生长和共生固氮、小叶锦鸡儿和羊草土壤净氮矿化速率的影响。观察小叶锦鸡儿根瘤形态和数量、测定根瘤长度和生物量以及固氮酶活性、测定土壤净氮矿化速率和土壤酶活性，探讨小叶锦鸡儿和羊草土壤氮素转化对环境变化响应机理。 结果表明，三年生桶培小叶锦鸡儿根瘤多着生于侧根，以浅黄色的小型球状根瘤为主，其次是棕褐色的棒状和纺锤状根瘤，较大型的褐色Y状根瘤相对较少。添加氮素极显著地抑制根瘤生长发育及其固氮酶活性，这种抑制效应随着水分增加和CO2浓度升高有所减缓。随着水分的增加，根瘤形态多样，根瘤着生部位由主根渐向侧根再向须根发展，根瘤数量和重量也显著增加。水分和CO2浓度升高，固氮酶活性增加但是未达到显著水平。小叶锦鸡儿根瘤生长及其固氮酶活性在加水条件下最好，水分可能是限制内蒙古半干旱草原小叶锦鸡儿固氮能力的关键因素。 环境变化影响小叶锦鸡儿土壤无机氮库。添加氮素处理，土壤无机氮库显著增加。添加氮素后，土壤脲酶活性显著降低，铵态氮和无机氮都出现明显的氮固持，但硝化速率增加，可能是由于添加氮素后土壤化学性质改变更利于硝化细菌进行硝化活动。随着水分和CO2浓度的升高，由于植物生长需求更多氮素的供应，土壤无机氮库显著降低。水分和CO2浓度处理对小叶锦鸡儿土壤脲酶活性和净氮矿化速率没有显著影响，但是能一定程度上减缓了氮素的负效应，促使无机氮的转化，使土壤微生物对铵态氮和无机氮的固持减少。但是蛋白酶活性和硝酸还原酶活性对三种环境因子响应均不敏感，脲酶对环境因子的变化最为敏感。小叶锦鸡儿土壤氮素转化与土壤理化性质密切相关，环境因子通过影响土壤脲酶活性以及土壤酸碱度等影响土壤矿化速率，进而影响土壤无机氮浓度和植物可利用氮。 羊草土壤无机氮库与小叶锦鸡儿土壤无机氮库对环境变化的响应较为一致，添加氮素羊草土壤无机氮含量显著增加，水分增加土壤无机氮含量显著降低。添加氮素使硝化速率显著增大，氨化速率和净氮矿化速率降低，但是未达到显著水平，铵态氮和无机氮出现固持现象。水分的增加降低土壤无机氮库，刺激脲酶活性，微生物对铵态氮的矿化作用增加，但是硝态氮的矿化作用受抑制，对净氮矿化没有影响。CO2浓度升高对羊草土壤无机氮库和土壤氮素矿化都没有显著地影响，但是CO2浓度升高在适宜水分下通过刺激土壤微生物活性，促进脲酶活性和无机氮的转化。羊草土壤酶活性对氮素和CO2浓度的响应与小叶锦鸡儿土壤酶活性的响应一致。 综上，不同环境因子对氮素转化过程影响不同，氮素添加抑制小叶锦鸡儿根瘤及其固氮酶活性，降低小叶锦鸡儿和羊草土壤净氮矿化速率。水分和CO2浓度升高一定程度上缓解了氮素对固氮酶活性以及土壤净氮素矿化速率的抑制作用，有利于土壤氮素转化。