干旱、半干旱生態(tài)系統(tǒng)約占全球陸地面積的40%,在提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、調(diào)控全球碳氮循環(huán)和氣候變化方面發(fā)揮重要作用。多數(shù)模型預(yù)測(cè)在全球變化背景下干旱、半干旱生態(tài)系統(tǒng)的面積會(huì)不斷擴(kuò)大,而極端氣候事件頻發(fā)可能使生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱。為了系統(tǒng)研究我國(guó)北方草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)及其機(jī)制,2012年7月至8月,在韓興國(guó)研究員的帶領(lǐng)下,我所9個(gè)課題組組織了中國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)草地樣帶研究,該樣帶跨度3000多公里,年降水量在36 mm到436 mm之間(圖1),為研究降水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響及其機(jī)制提供了很好的機(jī)會(huì)。
氮穩(wěn)定性同位素技術(shù)具有示蹤、整合和指示氮循環(huán)的功能,有助于我們理解生態(tài)系統(tǒng)的氮素狀態(tài)和發(fā)展方向。前期通過(guò)對(duì)土壤總氮的15N自然豐度(δ15N表示)的分析顯示,δ15N值隨著干旱指數(shù)(AI)的變化呈現(xiàn)鐘型曲線變化模式,分界線出現(xiàn)在AI = 0.32,即降水量在250 mm,并推測(cè)土壤微生物和植物分別是分界線兩側(cè)的主控因素,這個(gè)分界線也恰恰是我國(guó)干旱區(qū)和半干旱區(qū)域的分界線。該研究結(jié)果發(fā)表在Nature Communications(Wang et al., 2014)。
穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)組劉冬偉博士等在方運(yùn)霆研究員和朱偉興教授的指導(dǎo)下對(duì)草地樣帶土壤無(wú)機(jī)氮的含量及其同位素特征進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)降水量較少的區(qū)域(年降水量低于100 mm)硝態(tài)氮含量較高,在局部區(qū)域高達(dá)1400 mg kg-1。硝態(tài)氮15N自然豐度隨降水的增加呈現(xiàn)先增加后降低的格局,在降水量為100 mm的地方出現(xiàn)拐點(diǎn)(圖2f)。結(jié)合硝酸鹽氧同位素特征、植被分布格局和微生物功能基因豐度數(shù)據(jù),該研究進(jìn)一步表明年均降水量100 mm也是生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的另一個(gè)分界線,即當(dāng)降水量小于100 mm時(shí),生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)主要是非生物因素控制,表現(xiàn)為植被稀疏,微生物過(guò)程受限制,來(lái)自大氣的沉降氮累積在土壤表面,土壤較高的pH造成的氨揮發(fā)表現(xiàn)強(qiáng)烈;當(dāng)降水量大于100 mm時(shí),生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)主要受生物因素調(diào)控,表現(xiàn)為植物的氮吸收利用和反硝化作用,優(yōu)勢(shì)植物對(duì)銨態(tài)氮的吸收偏好利用為硝態(tài)氮以反硝化作用形式損失提供可能性。
這個(gè)新拐點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)為理解降水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能調(diào)節(jié)作用有重要的意義,也可能為干旱、干旱區(qū)的進(jìn)一步細(xì)分和生態(tài)系統(tǒng)管理提供新的依據(jù)。該研究結(jié)果以“Abiotic versus biotic controls on soil nitrogen cycling in drylands along a 3200 km transect”為題正式發(fā)表在Biogeosciences雜志上(Liu et al., 2017)。劉冬偉博士和王曉波博士為共同第一作者,朱偉興教授和方運(yùn)霆研究員為共同通訊作者。
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圖1 中國(guó)北方草地樣帶樣點(diǎn)分布圖

圖2 土壤總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量及其同位素自然豐度




