土壤有机物添加对温带半干旱草地地下生物过程的影响

大气CO2 浓度和降水量增加有可能大幅提高中国北方部分草地生态系统净初级生产力，进而导致向土壤中输送的有机物相应增加。本研究以位于内蒙古自治区东乌珠穆沁旗内的半干旱草地生态系统为研究对象，通过向10−20 cm 土层添加不同质量和数量的植物凋枯物碎屑模拟有机物输入增加和喷灌模拟降水量提升，同时测定土壤微生物群落动态和植物生长指标，探讨在增加有机物输入和土壤水分的情况下土壤生物过程的变化及其对土壤碳排放和贮存的反馈作用。 研究结果表明，有机物添加可促进植物地上部分及根系的生长，并显著提高土壤中可溶性有机碳（能量）和氮（养分）的含量。土壤能量和养分水平的提高促进了土壤微生物的生长：在底物可利用性水平较高时，r−对策微生物（指具有生长迅速、C/N 值较低的微生物群组）在群落中占优势地位；随着底物水平的降低，土壤中K-对策微生物（指具有生长缓慢、C/N 值较高的微生物群组）在群落中逐渐占据优势地位。土壤微生物群落组成的改变进一步导致了微生物功能群代谢活性和特征的变化，具体表现为提高了有机物添加处理中土壤细菌群落的代谢潜能，并使细菌在群落水平上的生理剖面特征明显区别于未添加有机物的处理。 研究样地内土壤微生物主要受到底物中的能量（碳）限制，土壤活性有机质库作为可利用性较高的能量和养分的重要来源，对土壤微生物活性和土壤碳周转起着比水分因子更加重要的作用。土壤水分主要影响植物生长和根系活性，并增加了土壤微生物对底物响应的复杂性，但它对地下生物过程的作用程度以底物中能量和养分水平为前提。 利用稳定性13C 同位素示踪技术测量后发现，添加C4-植物凋枯物会加速C3 底物中碳的分解速度。结合有机物添加后土壤有机质库的变化，可以推测植物凋枯物（即能量物质）输入增加会导致土壤原生有机碳的正向激发效应。在此过程中，土壤微生物群落组成及功能群代谢活性的变化起着至关重要的作用。 不同光合途径（C3 和C4）的植物和同一植物不同器官组织（地上部分和根系）的凋枯物添加对地下生物过程，特别是土壤微生物群落代谢功能的影响是不同的。在添加C3-草本凋枯物的处理中，土壤细菌群落主要利用的碳源为氨基酸类化合物；而在添加C4-植物凋枯物的处理中，土壤细菌群落主要利用的碳源为羧酸类化合物。 本研究在野外自然条件下证明了在能量缺乏的中国北方草地生态系统中，土壤有机物输入增加不但不会提高土壤有机碳库的大小，而且可能导致土壤原生有机碳的激发效应。在利用土壤呼吸与环境因子（如温度）的关系进行模拟预测土壤碳排放时，需要考虑不同生态系统底物中的能量和养分水平，以及土壤微生物和植物根系等地下生物过程对底物水平的适应性。