原名：Increasing rates of long-term nitrogen deposition consistently increased litter decomposition in a semi-arid grassland

譯名：在半干旱草地長(zhǎng)期氮沉降速率的增加持續(xù)增加了凋落物的分解

期刊：New Phytologist

IF：10.151

發(fā)表時(shí)間：2020

第一作者：呂曉濤

主要單位：中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所

一、研究背景

凋落物分解是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要過程,其速率主要受到凋落物質(zhì)量、土壤性質(zhì)、氣候條件及土壤微生物群落的影響。氮沉降的逐漸增加對(duì)凋落物分解過程的諸多調(diào)控因素具有重要影響。厘清各種生物因子和非生物因子如何調(diào)控凋落物分解過程對(duì)氮沉降的響應(yīng),將有助于理解氮沉降對(duì)凋落物分解過程和生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的影響機(jī)制。因此本研究以中國(guó)北方半干旱草原長(zhǎng)期氮素添加的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為依托,在物種和群落水平上研究了氮沉降對(duì)該地區(qū)植物凋落物分解的影響。結(jié)果表明,氮素添加促進(jìn)了物種水平和群落水平的凋落物分解,這種促進(jìn)作用是由多種因素共同驅(qū)動(dòng)。其中,氮素添加誘導(dǎo)的土壤酸化所導(dǎo)致的土壤中錳元素有效性增加是促進(jìn)凋落物分解的重要因素。氮素添加通過降低土壤碳氮比和提高土壤細(xì)菌和真菌比也促進(jìn)了凋落物分解,而氮素添加導(dǎo)致的凋落物化學(xué)質(zhì)量增加對(duì)凋落物分解的促進(jìn)作用相對(duì)較小。本研究揭示的這種土壤驅(qū)動(dòng)作用對(duì)凋落物分解過程的改變可能持續(xù)地影響生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)、土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)功能。

二、研究結(jié)果

凋落物結(jié)構(gòu)性C化合物和養(yǎng)分含量在不同物種的凋落物中不同。具體而言，羊草和冰草相對(duì)于針茅和羽茅，凋落物中的木質(zhì)素，纖維素和半纖維素含量更低（圖1a-c），然而凋落物中N，P，Ca，Mg和Mn含量更高（圖1d-h），但是這些差異也依賴于N肥（凋落物類型和肥料有顯著的交互作用）。群落混合值表現(xiàn)為中等濃度，因?yàn)樗鼈冎饕蛇@四種高豐富度的禾草物種組成（圖1）。一個(gè)明顯的另外是群落混合凋落物中Ca和Mg的含量高于四種禾草物種的。

圖1

對(duì)于大多數(shù)凋落物類型隨著氮沉降速率的增加，結(jié)構(gòu)性的C化合物（木質(zhì)素，纖維素和半纖維素）的含量連續(xù)減少，但是養(yǎng)分含量（N，P，Ca，Mg和Mn）含量增加（圖1）。然而，N添加沒有顯著改變羽茅中木質(zhì)素含量和針茅和羽茅中的Ca含量，但是隨著N添加的增加仍然可以觀測(cè)到較低的木質(zhì)素和較高的Ca含量的一般趨勢(shì)。正如上文提到的，凋落物類型和N沉降速率之間存在顯著的交互作用表明在某種程度上增加的N沉降效應(yīng)在不同的凋落物類型中不同（圖1），但是縱觀N沉降的6個(gè)水平凋落物的質(zhì)量變化格局在不同的凋落物類型中是顯著穩(wěn)定的。一些關(guān)鍵的土壤屬性變量也隨著N添加速率的增加而變化。土壤pH和CN比隨著N添加速率降低，然而土壤N，有效Mn，和P隨著N添加速率而增加（圖2a-e）?；谡婢腜LFAs的真菌豐度隨著N添加速率降低，細(xì)菌豐度隨著N添加速率增加（圖2f,g）。由于微生物群對(duì)N添加的特定性響應(yīng)，細(xì)菌真菌的比隨著N添加速率增加（圖2h）。

圖2

對(duì)于所有類型的凋落物，隨著N添加速率的增加凋落物質(zhì)量丟失增加。此外，對(duì)于所有5種類型的凋落物（有可識(shí)別的斜率），衰減常數(shù)k也隨著N添加速率的增加而持續(xù)增加（圖3）。特定的群落凋落物混合物在N沉降速率最高時(shí)的k值為0.36 yr-1，不添加N時(shí)的k值為0.27 yr-1。類似地，四種禾草的平均分解速率，在氮沉降速率最高時(shí)k的值為0.34 yr-1，不添加N肥時(shí)的k值為0.26 yr-1。不考慮N沉降水平時(shí)，所有凋落物類型中羊草的k值最大（0.34 yr-1），針茅的k值最低（0.26 yr-1）（圖3）。

圖3

衰減常數(shù)k與三種結(jié)構(gòu)性的C的含量負(fù)相關(guān)，與養(yǎng)分正相關(guān)。除了羽茅，它的k值不與木質(zhì)素相關(guān)也不與Ca的含量相關(guān)，針茅的k值也不與Ca的含量顯著相關(guān)。N沉降對(duì)k值有正的效應(yīng)，對(duì)微生物生物量（細(xì)菌和真菌PLFA），土壤pH和土壤CN比有負(fù)的效應(yīng)，這些變量與k負(fù)相關(guān)（除了羊草和羽茅的k值，與細(xì)菌PLFA沒有顯著的關(guān)聯(lián)），然而細(xì)菌和真菌的比與土壤N和Mn的含量都與k值正相關(guān)。

SEM分析的結(jié)果表明，N沉降通過間接效應(yīng)驅(qū)動(dòng)分解的加速。在這些間接路徑中，低pH引起了的土壤有效Mn的含量增加是解釋k值變異的主要因子（圖4）。有趣的是，凋落物中Mn的含量越高，k值越大。其它的路徑是相對(duì)次要的，較高的土壤細(xì)菌真菌比值，有效P含量以及凋落物N含量對(duì)k值有類似的正效應(yīng)，并且較高的土壤CN比和較高的凋落物木質(zhì)素含量對(duì)k值有類似的負(fù)效應(yīng)（圖4）。土壤細(xì)菌和真菌的比值似乎共同受土壤pH轉(zhuǎn)變的影響。N添加對(duì)凋落物的分解仍然有直接的正效應(yīng)，盡管相對(duì)于其它間接效應(yīng)能夠解釋的變異較小。

圖4

三、結(jié)論

半干旱草地超過8年的連續(xù)氮添加，4個(gè)不同禾草物種的凋落物和特定的處理的群落混合物分解隨著N添加速率的增加而快速增加。本研究確定了土壤有效錳是決定快速分解的重要因子，盡管較高的凋落物N和較低的凋落物木質(zhì)素含量在N添加下在一定的程度上也解釋了較高的分解速率。N添加下較低的土壤pH使錳沿著其它的養(yǎng)分，例如P和Ca和Mg，在本研究中沒有測(cè)量，在土壤中更有效。N沉降通過降低土壤pH增加土壤有效錳進(jìn)而間接影響分解。N添加第二個(gè)重要的影響是通過降低土壤CN比，改變微生物群落，轉(zhuǎn)變成細(xì)菌通道能夠通過更快速的分解增加C和養(yǎng)分循環(huán)。本研究提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，N添加驅(qū)動(dòng)的土壤pH的間接影響而不是對(duì)凋落物質(zhì)量改變的直接影響在凋落物分解中起重要作用。土壤驅(qū)動(dòng)的凋落物分解對(duì)于養(yǎng)分循環(huán)，土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)功能可能有持續(xù)很久的影響，即使N沉降隨著時(shí)間的推移減少。