近日，中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站王克林研究員團隊在喀斯特峰叢洼地草地生態(tài)系統(tǒng)不同氮輸入方式對固氮菌影響方面的研究取得系列新進展。
固氮菌作為生物固氮過程的執(zhí)行者，對土壤氮素供給和土壤生態(tài)功能維持具有重要作用。在區(qū)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，豆科灌木引種在喀斯特退化草地生態(tài)恢復和人工草地可持續(xù)管理方面具有巨大應用潛力。然而，喀斯特草地土壤固氮菌對不同外源氮輸入方式的響應仍不清楚，限制了喀斯特自然草地生態(tài)系統(tǒng)恢復潛力評估和人工牧草地優(yōu)化管理。
基于此，以典型喀斯特自然和人工草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，通過設置自然草地模擬氮沉降和磷添加及豆科灌木引種（高低密度種植紫穗槐和深紫木藍）；和人工牧草地引種紫穗槐和施加氮肥（高低密度種植紫穗槐，氮肥，高低密度種植紫穗槐同時添加氮肥）等系列外源氮添加處理試驗，研究固氮菌豐度、多樣性和群落組成的響應特征。
研究結果表明，（1）固氮菌群落慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）的相對豐度在喀斯特草地中占絕對優(yōu)勢，可作為脆弱生態(tài)系統(tǒng)植被恢復的候選優(yōu)勢屬；（2）自然草地生態(tài)系統(tǒng)，氮添加和高密度種植深紫木藍在生長季通過提高土壤氮可利用性降低固氮菌豐度，同時氮添加顯著降低固氮速率，磷添加和深紫木藍在生長季顯著提高固氮菌多樣性及顯著影響固氮菌群落組成（圖1和2）；（3）人工牧草地，紫穗槐種植和低水平氮肥施用通過增加土壤氮的可利用性從而降低了固氮菌群落間競爭，固氮菌群落間的競爭在氮肥處理高于紫穗槐，表明豆科灌木有利于提高固氮菌多樣性，有效改善土壤氮輸入（圖3）；（4）總體而言，喀斯特草地管理過程低密度種植深紫木藍通過改善固氮菌群落促進養(yǎng)分吸收，是喀斯特自然草地緩解氮限制的有效途徑，在此過程，土壤有效磷的含量相比氮可利用性通過提高固氮菌的多樣性有利于生物固氮。研究結果為喀斯特脆弱生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素的優(yōu)化管理和高效恢復策略的篩選提供科學依據(jù)。
在王克林和張偉研究員指導下，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為題分別發(fā)表在Agriculture, Ecosystems and Environment和Science of the Total Environment。研究得到國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會、中科院亞熱帶農業(yè)研究所青年創(chuàng)新團隊項目的資助。
圖1 自然草地氮磷添加土壤環(huán)境因子對固氮菌豐度和物種多樣性的影響
圖2 自然草地高低密度種植紫穗槐（AF）和深紫木藍（IA）對固氮菌豐度和物種豐富度的影響
圖3 人工牧草地氮肥和種植紫穗槐對固氮菌群落的影響