反硝化过程是生态系统气态氮损失的主要途径,然而其速率一直难以量化.15N同位素自然丰度法是量化陆地生态系统尺度反硝化速率的有效方法,但是该方法需要考虑反硝化过程中的氮氧同位素分馏效应.目前关于陆地土壤反硝化作用分馏系数的研究主要集中在森林和农田,对于草地土壤的研究十分有限.基于此,本研究以我国不同地区的4种典型草地土壤(大兴安岭、多伦、额尔古纳和刚察)为对象,通过室内厌氧培养实验测定土壤微生物群落反硝化作用的硝酸盐消耗速率,并借助瑞利分馏模型拟合出N和O同位素分馏效应(ε)及其比值(△δ180∶△δ15N).结果显示,草地土壤15ε为21.6‰～32.0‰(27.1‰±2.1‰),18ε为10.4‰～15.7‰(12.9‰±1.1‰).研究发现,不同环境之间15e存在一定差异,可能归因于不同类型土壤理化性质和反硝化微生物群落组成的差异.此外,不同研究所用计算方法的差异、底物硝酸盐浓度、硝酸盐异化还原反应以及开放环境中可能发生的硝化作用等都会在不同程度上影响15ε的计算.对于18ε来说,年均温和年均降水是影响18ε的重要因素.草地土壤△δ18O∶△δ15N比值为0.38～0.49(0.46±0.03),低于以往陆地和水体生态系统以及微生物纯培养的研究.亚硝酸盐的再氧化和与水之间的氧同位素交换可能是造成△δ18O∶△δ15N差异的重要原因.综上所述,不同草地生态系统土壤反硝化分馏效应存在一定差异,在定量评估陆地生态系统反硝化作用速率时需综合考虑气候类型和生态系统等变量.

为了查明高寒地区建植一年生禾本科人工草地的土壤节肢动物群落动态,2019年4月在青藏高原东缘红原县境内建植了黑麦草和燕麦两种一年生单播人工草地,并以天然草地为对照.2019-2022年每年9月下旬对土壤节肢动物群落、植物群落和土壤理化性质开展观测.结果表明:1)土壤节肢动物的群落组成结构在3种草地及年际间差异显著;2)土壤节肢动物密度、类群数、Shannon指数和均匀度指数在3种草地间差异不显著;3)随着年限增加,3种草地的土壤节肢动物密度显著波动;黑麦草和燕麦草地土壤节肢动物类群数和Shannon指数显著降低,均匀度指数仅在第4年显著降低;天然草地的Shannon指数呈显著波动,均匀度指数无明显变化;4)草地的地上和地下生物量、土壤全磷、全钾、有效氮含量是影响土壤节肢动物群落的主要因子.研究表明,在高寒地区种植一年生禾本科牧草对土壤节肢动物群落的组成结构有显著影响,对密度及多样性指数影响不显著;种植年限对群落组成结构、密度和多样性指数影响显著.

长期放牧改变了草地生态系统的土壤资源可利用性和微生物生物量化学计量.研究放牧荒漠草原土壤化学计量不平衡与微生物碳利用效率(CUE)的关系,有助于从微生物视角理解土壤碳动态.本研究依托2004年建立的内蒙古短花针茅荒漠草原长期放牧实验平台,以围封禁牧为对照,设置重度、中度和轻度放牧处理,测定了 土壤有效养分、微生物生物量及其获取的相关酶活性,并利用生态化学计量法对土壤微生物CUE进行计算.结果表明:与对照相比,放牧抑制了土壤微生物CUE,降幅为1.0％～10.3％;土壤C∶N不平衡在中度放牧处理下显著增加20.6％,C∶P不平衡和N∶P不平衡在重度放牧处理分别显著增加20.7％和25.2％,这表明土壤微生物群落更容易受N、P限制.土壤微生物群落通过调节元素阈值计量比和胞外酶的产生来维持自身化学计量平衡.结构方程模型结果表明,化学计量不平衡通过改变元素阈值计量比、微生物生物量化学计量和酶化学计量间接影响微生物CUE.

沙化问题是影响草原地区生产与牧民生活的重要环境问题.草原作为重要碳库和养分库,沙化过程可能会对其土壤碳、氮库产生重要影响.为探讨沙化过程对高寒草地土壤碳、氮储量的影响,采用空间序列代替时间演替的方法研究了藏北高原高寒草地沙化过程中驱动土壤碳、氮储量变化的因素.研究发现:(1)轻度、中度和重度沙化阶段土壤总碳、全氮储量无变化,而极重度沙化阶段碳氮流失严重(分别下降69％和55％,P＜0.05).(2)群落地上生物量随沙化程度加重逐渐降低,重度和极重度沙化草地根系生物量显著下降(分别下降47％和99％,P＜0.05).土壤容重、砾石含量随沙化程度加重呈逐渐增加趋势,而总碳、全氮含量和含水量逐渐下降,说明沙化过程导致土壤粗粒化和贫瘠化.(3)进一步分析发现,影响土壤总碳储量的因子中排前三位依次是土壤砾石含量、土壤含水量和植物地上生物量,影响土壤氮储量的因子依次是土壤砾石含量、含水量和土壤微生物丰度.综合这些研究结果,沙化过程植物群落生产力的改变对土壤碳、氮影响较小,主要受土壤砾石含量与含水量等因子驱动.沙化过程中土壤碳、氮储量存在转化阈值(重度到极重度沙化阶段),故潜在沙化高寒草地的早期防护有利于土壤碳汇的维持.

关键种在群落结构、功能与稳定性方面具有重要作用,为探明不同放牧方式下高寒草甸植物群落关键种的变化特征及其影响因素,以青藏高原最主要的5种放牧方式(禁牧、非生长季放牧、传统放牧、生长季放牧和全年连续放牧)高寒草甸为对象,对群落特征、土壤理化特征和酶活性进行了系统研究,采用网络分析法和方差分解探究了不同放牧方式草地植物群落关键种变化特征及其影响因子,并利用优劣解距离法(TOPSIS)-多准则决策模型对不同放牧方式进行综合评价,以筛选最佳放牧方式,从而为高寒草甸科学管理及可持续利用供数据支撑.结果表明:(1)相较于全年连续放牧,禁牧、非生长季放牧、传统放牧及生长季放牧对禾本科、豆科、凋落物和杂类草生物量,群落地上和地下生物量,植物高度,禾本科盖度,多样性指数,土壤养分含量和土壤酶活性均有显著正效应.(2)禁牧样地的关键种为垂穗披碱草,非生长季放牧样地的关键种为冷地早熟禾、矮生嵩和赖草,传统放牧样地的关键种为赖草,生长季放牧样地的关键种为矮生嵩草,全年连续放牧样地的关键种为异针茅.其中,非生长季放牧样地植物群落物种间的关联性、互作强度、群落组织水平和稳定性均最高,而禁牧样地最低.(3)方差分解表明,土壤纤维素酶、脲酶和过氧化氢酶是影响高寒草甸植物群落关键种变化的最主要因素.(4)TOPSIS-多准则决策模型结果表明,非生长季放牧既能有效利用草地资源,又能维持较高的植物群落多样性和稳定性,是高寒草甸的理想放牧方式.研究结果对科学放牧管理制度的制定、草地生态系统稳定性与多功能性维持提供了科学数据支撑.

放牧是导致草地生态系统发生变化的重要驱动因素,然而在不同放牧强度下草地植物群落与功能群对土壤因子的响应是否一致目前仍不明确.该研究以天山北坡中段草地为研究对象,基于野外植物群落调查和室内土壤分析,分析放牧对植物群落与功能群的影响,以此为基础进一步揭示在放牧干扰下植物群落和功能群对土壤因子响应的差异.结果表明,轻度放牧和未放牧草地的主要优势功能群为多年生禾草和莎草,重度放牧样地中的主要优势功能群为毒害草,优势种为醉马草(Achnatherum inebrians).相较于重度放牧,轻度放牧显著提高多年生禾草、豆科植物、莎草和杂类草功能群的地上生物量,显著降低了毒害草地上生物量.轻度放牧的物种多样性指数显著高于重度放牧;而在功能群多样性中,轻度放牧的Shannon-Wiener指数、Margalef指数和Pielou指数显著高于重度放牧,Simpson指数在不同放牧强度间无显著差异.冗余分析、Mantel检验以及结构方程模型的结果显示,植物群落特征、功能群和群落多样性与土壤有机碳含量、速效氮含量、速效钾含量、全磷含量、全钾含量、土壤密度和土壤含水量均存在显著相关关系;放牧直接对草地植物高度、盖度、密度、地上生物量、植物群落和功能群多样性产生显著的负向影响,也可通过提高土壤密度和降低土壤养分含量从而对群落高度、盖度、密度、地上生物量、植物群落和功能群多样性产生间接的负向影响.综上,在放牧干扰下,土壤因子对维持天山北坡中段草地植物群落的稳定生长起到至关重要的作用,该结果为新疆草地植物资源的合理利用提供科学依据.

丛枝菌根真菌(AMF)在草地生态系统中广泛分布,对维持草地生态系统生产力和稳定性具有重要意义,而中国天然草地生态系统AMF群落的分布特征及其驱动机制尚不明确.该研究以常见的18种草地类型为研究对象,通过野外调查不同植物群落特征,分析土壤理化性质和AMF群落特征,探究中国草地生态系统不同草地类型土壤AMF群落特征及其驱动因素.结果表明,近明球囊霉属(Claroideoglomus)、隔球囊霉属(Septoglomus)、多孢囊霉属(Diversispora)、根孢囊霉属(Rhizophagus)、无梗囊霉属(Acaulospora)、球囊霉属(Glomus)和双型囊霉属(Ambispora)在不同草地类型AMF群落中占据优势地位(相对多度＞15％).不同草地类型AMF群落在物种组成和多样性上存在差异,且紫花针茅(Stipa purpurea)草地AMF群落多样性和稀有可操作分类单元(OTU)(相对多度＜0.1％的OTU)占比相对较高.结构方程模型表明,AMF群落多样性受植物群落多样性和土壤pH的显著影响,而AMF群落组成受温度、土壤含水率和植物群落组成的显著影响.综上所述,中国天然草地AMF资源丰富,且不同草地类型AMF群落存在较大差异.草地生态系统植物群落特征对AMF群落特征具有强烈的驱动作用,保护植物多样性对于维持土壤微生物群落稳定性具有重要意义.

羊草(Leymuschinensis)草原是中国草地资源中珍贵的自然财富,其生产力受到多种全球变化因素的制约.其中,少花蒺藜草(Cenchrus spinifex)入侵(以下简称为"入侵")与干旱对东北松嫩草原区羊草群落影响尤为显著,但相关机制仍较少被关注.该研究通过微宇宙控制实验,采用两因素完全交互设计,探究入侵与干旱对羊草群落生产力影响的作用机制.因素一是入侵处理(入侵vs对照),因素二为水分处理(干旱vs正常水分),每个处理设置10次重复,实验共计40盆.结果表明:入侵与干旱会显著降低羊草群落与优势物种羊草的地上生物量.干旱处理下土壤有效氮含量与土壤节肢动物的丰富度显著下降,而土壤细菌与球囊霉科(Glomeraceae)丛枝菌根真菌(AMF)丰度显著增加.入侵对土壤真菌有效物种数的影响受到干旱的调节,表现为在正常水分条件下入侵不影响土壤真菌的有效物种数,但在干旱条件下入侵显著增加土壤真菌的有效物种数.结构方程模型结果表明,入侵与干旱均直接抑制羊草群落生产力.干旱通过增加土壤真菌优势菌群的丰度进而间接缓解对本地群落生产力的负面影响.此外,两者协同作用通过增加土壤真菌群落多样性抑制群落生产力.该研究为将来更好地维护草地生产力,保护优质牧草提供理论依据.

为明确春季休牧对中度退化高寒草甸植被特征、土壤理化性质和土壤真菌群落特征的影响,本研究在祁连山区高寒草地设置春季休牧和自由放牧两个处理,休牧结束后于牧草生长旺季,调查草地植物群落特征并采集土壤样本.结果表明,春季休牧后高寒草地植物群落多样性指数、均匀度指数和丰富度指数显著升高(P＜0.05),与自由放牧相比,分别升高了80.00％、50.94％和21.89％;植被生物量显著增加(P＜0.05),增幅达52.41％;休牧后草地地上/下生物量比值由8.58％增加到25.59％,休牧改变了植被生物量的分配格局;休牧后土壤有机碳和全钾含量显著增加(P＜0.05),增幅分别为10.64％和1.10％;而土壤容重和pH显著降低(P＜0.05),降幅分别为17.83％和4.60％.春季休牧处理下土壤子囊菌门的相对丰度增加,而被孢霉菌门的丰度下降;土壤真菌群落多样性指数在两处理间差异不显著;PCoA分析结果显示,主坐标1(PCo1)、主坐标2(PCo2)和主坐标3(PCo3)对真菌群落结构差异的解释率分别为17.58％、12.07％和11.51％,累计解释率为41.16％;真菌共现网络模块化分析发现,春季休牧处理下土壤真菌网络复杂性更高,土壤真菌群落更稳定.植被和土壤因子的方差分析结果显示,土壤含水量和植被地下生物量是影响真菌群落重构的两个主要调控因子.

青藏高原不同尺度的植物多样性具有不同的空间分布格局,而形成这种格局的影响因素尚不清楚.本研究对青藏高原不同地区的33个样点进行植被群落和土壤调查,从α多样性、β多样性和γ多样性3个尺度阐明了植物物种多样性沿降水梯度的分布格局,采用线性回归和结构方程模型(SEM)探讨影响植物多样性分布格局的直接或间接因素.结果表明:青藏高原植物α和γ多样性随着降水量增加而增加,植物β多样性随着降水量增加而减少;降水量增加通过改变土壤湿度直接增加了植物α多样性,通过增加土壤无机氮含量间接增加植物α多样性;并且,降水量增加会通过增加土壤氮磷比和降低土壤pH值间接增加植物γ多样性.综上所述,随着降水量的变化,土壤理化性质会发生相应的变化,进而影响不同空间尺度的植物多样性.