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喀斯特草地生态系统固氮菌对外源氮输入方式的响应研究取得新进展

  近日,中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林研究员团队在喀斯特峰丛洼地草地生态系统不同氮输入方式对固氮菌影响方面的研究取得系列新进展。

  固氮菌作为生物固氮过程的执行者,对土壤氮素供给和土壤生态功能维持具有重要作用。在区域氮沉降水平日益增加和牧草地不合理氮肥施用的背景下,豆科灌木引种在喀斯特退化草地生态恢复和人工草地可持续管理方面具有巨大应用潜力。然而,喀斯特草地土壤固氮菌对不同外源氮输入方式的响应仍不清楚,限制了喀斯特自然草地生态系统恢复潜力评估和人工牧草地优化管理。

  基于此,以典型喀斯特自然和人工草地生态系统为研究对象,通过设置自然草地模拟氮沉降和磷添加及豆科灌木引种(高低密度种植紫穗槐和深紫木蓝);和人工牧草地引种紫穗槐和施加氮肥(高低密度种植紫穗槐,氮肥,低密度种植紫穗槐同时添加氮肥)等系列外源氮添加处理试验,研究固氮菌丰度、多样性和群落组成的响应特征。

  研究结果表明,(1)固氮菌群落慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)的相对丰度在喀斯特草地中占绝对优势,可作为脆弱生态系统植被恢复的候选优势属;(2)自然草地生态系统,氮添加和高密度种植深紫木蓝在生长季通过提高土壤氮可利用性降低固氮菌丰度,同时氮添加显著降低固氮速率,磷添加和深紫木蓝在生长季显著提高固氮菌多样性及显著影响固氮菌群落组成(图1和2);(3)人工牧草地,紫穗槐种植和低水平氮肥施用通过增加土壤氮的可利用性从而降低了固氮菌群落间竞争,固氮菌群落间的竞争在氮肥处理高于紫穗槐,表明豆科灌木有利于提高固氮菌多样性,有效改善土壤氮输入(图3);(4)总体而言,喀斯特草地管理过程低密度种植深紫木蓝通过改善固氮菌群落促进养分吸收,是喀斯特自然草地缓解氮限制的有效途径,在此过程,土壤有效磷的含量相比氮可利用性通过提高固氮菌的多样性有利于生物固氮。研究结果为喀斯特脆弱生态系统土壤氮素的优化管理和高效恢复策略的筛选提供科学依据。

  在王克林和张伟研究员指导下,以上研究成果近期以Phosphorus but not nitrogen addition significantly changes diazotroph diversity and community composition in typical karst grassland soil、Responses of soil diazotrophs to legume species and density in a karst grassland, southwest China和Nitrogen fertilizer and Amorpha fruticosa leguminous shrub diversely affect the diazotroph communities in an artificial forage grassland为题分别发表在Agriculture, Ecosystems and Environment和Science of the Total Environment。研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、中科院亚热带农业研究所青年创新团队项目的资助。

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图1 自然草地氮磷添加土壤环境因子对固氮菌丰度和物种多样性的影响

图2 自然草地高低密度种植紫穗槐(AF)和深紫木蓝(IA)对固氮菌丰度和物种丰富度的影响

图3 人工牧草地氮肥和种植紫穗槐对固氮菌群落的影响

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