長期氮添加對貝加爾針茅草原土壤微生物群落多樣性的影響

劉紅梅，張海芳，皇甫超河，李潔，周廣帆，楊殿林

（農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191）

長期氮添加對貝加爾針茅草原土壤微生物群落多樣性的影響

劉紅梅，張海芳，皇甫超河，李潔，周廣帆，楊殿林*

（農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191）

以貝加爾針茅草原不同土層土壤為研究對象，開展了連續(xù)6年的氮添加野外控制試驗(yàn)，8個氮素添加處理分別為N0（0 kg N·hm-2）、N15（15 kg N·hm-2）、N30（30 kg N·hm-2）、N50（50 kg N·hm-2）、N100（100 kg N·hm-2）、N150（150 kg N·hm-2）、N200（200 kg N· hm-2）、N300（300 kg N·hm-2），采用氯仿熏蒸提取法和Biolog生態(tài)板法，分析了不同氮添加量下草原土壤微生物生物量碳、氮及微生物群落功能多樣性的變化規(guī)律。結(jié)果表明，長期添加無機(jī)氮素，土壤微生物生物量碳降低；高氮添加（N100、N150、N200、N300）提高了微生物生物量氮，顯著降低了微生物熵。培養(yǎng)96 h時，生態(tài)板的平均顏色變化率（AWCD）在0～10 cm土層大小順序依次為N50＞N30＞N100＞N15＞N0＞N200＞N150＞N300。相同氮添加量下，不同深度土層土壤微生物生物量碳、氮和AWCD值總體表現(xiàn)為0～10 cm土層高于10～20 cm土層。0～10 cm土層，高氮添加（N100、N150、N200、N300）下，土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)H低于或顯著低于對照（N0），均勻度指數(shù)E高于或顯著高于對照，各處理間優(yōu)勢度指數(shù)D差異不明顯。主成分分析結(jié)果表明，高氮處理、低氮處理及無氮添加下土壤微生物對碳源利用能力存在較大差異。土壤pH、有機(jī)碳、全氮、全磷、微生物生物量氮、微生物熵、微生物量碳氮比、硝態(tài)氮與土壤微生物群落功能多樣性密切相關(guān)，100 kg N·hm-2氮添加量是土壤微生物活性從促進(jìn)到抑制的一個閾值。

貝加爾針茅草原；氮添加；土壤微生物生物量；土壤微生物多樣性

土壤微生物作為草地土壤生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的組成部分，參與土壤碳、氮的循環(huán)及土壤有機(jī)物的礦化過程，對有機(jī)物的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、供應(yīng)起著主導(dǎo)作用，是草地土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[1-2]。一些研究者認(rèn)為，土壤質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)當(dāng)包括微生物生物量碳、氮以及礦化氮、土壤微生物熵等[3-5]。土壤溫度、含水量和化學(xué)性質(zhì)等生態(tài)因子可能影響土壤微生物生物量的大小[6]，土壤微生物群落組成的變化會導(dǎo)致土壤物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分利用的改變。因此，研究草地土壤微生物及其功能多樣性，對合理利用土壤、防止地力衰退和改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長的重要限制因子，氮的添加可能改變土壤底物養(yǎng)分，從而影響到微生物群落多樣性和活性[7]，最終影響到養(yǎng)分循環(huán)過程。Treseder[8]總結(jié)分析了82個野外實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在陸地生態(tài)系統(tǒng)中氮添加抑制土壤微生物生物量，且施氮量越大，負(fù)面作用越大。氮添加可引起植物群落地上部氮吸收量增加，從而使植物群落組成發(fā)生變化，進(jìn)而造成植物凋落物組成相應(yīng)改變，使得土壤中來自于植物的碳源種類和數(shù)量發(fā)生改變[9]。另外，氮添加會改變土壤微生物功能多樣性和結(jié)構(gòu)組成[1，10]。為揭示氮添加對我國北方溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落功能多樣性的影響，本研究以貝加爾針茅草原為對象，運(yùn)用Biolog生態(tài)板法研究了不同氮添加處理下貝加爾針茅草地土壤微生物群落功能多樣性的變化規(guī)律及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，以期為該區(qū)合理施肥和科學(xué)管理提供依據(jù)，從而促進(jìn)天然草地的合理利用和退化草地的恢復(fù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于大興安嶺西麓，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂溫克自治旗伊敏蘇木境內(nèi)，地理位置為北緯48°27′～48° 35′，東經(jīng)119°35′～119°41′，海拔高度為760～770 m，地勢平坦，屬于溫帶草甸草原區(qū)，為半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫-1.6℃，年降水量328.7 mm，年蒸發(fā)量1 478.8 mm，≥0℃年積溫2 567.5℃，年均風(fēng)速4 m·s-1，無霜期113 d。土壤類型為暗栗鈣土[11]。試驗(yàn)開始時土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：土壤pH 7.07，總有機(jī)碳27.92 g·kg-1，全氮1.85 g·kg-1，全磷0.45 g·kg-1。

植被類型為貝加爾針茅（Stipa baicalensis）草甸草原，共有植物66種，分屬21科49屬。其中，貝加爾針茅為建群種，羊草（Leymuschinensis）為優(yōu)勢種，草地麻花頭（Serratulayamatsutanna）、線葉菊（Filifoliumsibicum）、扁蓿豆（Melissitus ruthenica）、羽茅（Achnatherum sibiricum）、日蔭菅（Carex pediformis）、裂葉蒿（Artemisia tanacetifolia）、變蒿（Artemisia commutata）、多莖野豌豆（Vicia multicaulis）、祁州漏蘆（Rhaponticum uniflorum）、寸草苔（Carex duriuscula）、腎葉唐松草（Thaictrum petaloideum）、狹葉柴胡（Bupleurum scorzonerifolium）、草地早熟禾（Poa pratensis）等為常見種或伴生種。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

試驗(yàn)開始于2010年6月，在圍欄樣地內(nèi)設(shè)置氮添加試驗(yàn)，氮素添加處理設(shè)8個水平，依次為0 kg N· hm-2（N0，對照）、15 kg N·hm-2（N15）、30 kg N·hm-2（N30）、50 kg N·hm-2（N50）、100 kg N·hm-2（N100）、150 kg N·hm-2（N150）、200 kg N·hm-2（N200）、300 kg N·hm-2（N300），每年分2次施入。第1次6月15日施氮50%，第2次7月15日施氮50%，氮素為NH4NO3。根據(jù)各處理的氮添加量，將每個處理每次所需要施加的NH4NO3分別溶解在8 L水中（全年增加的水量相當(dāng)于新增降水1.0 mm），水溶后均勻噴施到相應(yīng)小區(qū)內(nèi)。共8個小區(qū)，4次重復(fù)，小區(qū)面積8 m×8 m，小區(qū)間設(shè)2 m隔離帶，重復(fù)間設(shè)5 m隔離帶。

2015年8月10日在各個處理小區(qū)內(nèi)按照S型取樣法選取10個點(diǎn)，去除表面植被，取0～10 cm和10～20 cm土層土壤各自混勻，去除根系和土壤入侵物，采用“四分法”選取1 kg土壤，將其分成兩份：一份迅速裝入無菌封口袋，放在冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，4℃低溫保存，用于測定土壤微生物量碳、氮和土壤微生物群落功能多樣性；另一份土樣于室內(nèi)自然風(fēng)干，用于土壤理化性質(zhì)測定。

1.3 測定方法

土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤全氮用凱氏定氮法，土壤全磷采用鉬銻抗比色法，土壤pH采用玻璃電極法（土水比1∶2.5），土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用氯化鉀溶液提取-流動分析儀（QC8000）測定，土壤速效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法[12]。

土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法[13]，土壤微生物生物量碳換算系數(shù)為2.64，土壤微生物生物量氮換算系數(shù)為1.85。

土壤微生物群落功能多樣性測定：采用劉紅梅等[14]Biolog試驗(yàn)方法，稱取相當(dāng)于10 g烘干土壤的新鮮土壤樣品，加入90 mL滅菌生理鹽水（0.85%）稀釋，用封口膜將瓶口封好，在搖床上振蕩30 min，轉(zhuǎn)速為250 r·min-1。搖勻，靜置10 min后，依次稀釋至1 000倍。稀釋液加入到Biolog-Eco板的96個孔中，將Biolog-Eco板在28℃條件下培養(yǎng)，在Biolog微孔板讀數(shù)儀（BIOLOG Inc.，美國）上連續(xù)讀數(shù)7 d，每24 h讀數(shù)一次。

Biolog數(shù)據(jù)采用Garland等[15]提出的微平板平均顏色變化率（AWCD）來表示，計(jì)算方法如下：

AWCD=∑（Ci-R）/n

式中：Ci為每個有培養(yǎng)基孔的光密度值；R為對照孔的光密度值；n為Biolog-Eco微平板上供試碳源的種類數(shù)，n值為31，重復(fù)3次。

用Shannon指數(shù)H、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)D和Shannon均勻度指數(shù)E來表征土壤微生物群落代謝功能多樣性。采用培養(yǎng)96 h時的Biolog-Eco平板孔中吸光值來計(jì)算土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)[16]，計(jì)算公式分別為：

式中：Pi為第i孔相對吸光值與整個平板相對吸光值總和的比率；S為有顏色變化的孔的數(shù)目。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

應(yīng)用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA）、相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物生物量碳、氮變化

連續(xù)6年不同氮添加條件下土壤化學(xué)性質(zhì)見表1。0～10cm土層，7個氮添加處理土壤pH值均低于對照，高氮處理（N100、N150、N200、N300）有機(jī)碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效磷含量高于或顯著高于對照，各處理全氮含量沒有顯著差異。10～20cm土層，高氮處理（N100、N150、N200、N300）pH值顯著低于對照，有機(jī)碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效磷含量高于或顯著高于對照。相同氮添加處理不同土層有機(jī)碳、全氮、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量大致表現(xiàn)為0～10cm土層＞10～20cm土層。

連續(xù)6年不同氮添加條件下土壤微生物生物量碳、氮含量變幅很大（表2）。0～10 cm土層氮添加處理的土壤微生物生物量碳含量顯著低于對照。10～20 cm土層N15、N30、N50、N150、N300處理土壤微生物生物量碳顯著低于對照，N100、N200與對照間沒有顯著差異。高氮處理（N100、N150、N200、N300）0～10、10～ 20 cm土層土壤微生物生物量氮含量均高于或顯著高于對照。0～10、10～20 cm土層氮添加處理的微生物熵均顯著低于對照。0～10 cm土層與10～20 cm高氮處理（N100、N150、N200、N300）微生物生物量碳氮比均顯著低于對照。上述結(jié)果表明，高氮添加降低了土壤微生物生物量碳與土壤微生物生物量碳氮比，改變了貝加爾針茅草原土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

2.2 Eco板平均顏色變化率動態(tài)特征

AWCD值反映土壤微生物利用單一碳源的能力，是土壤微生物活性及群落功能多樣性的重要指標(biāo)[17]。從圖1可知，隨培養(yǎng)時間的延長，土壤微生物利用碳源的能力逐漸增加。同一土層不同氮添加下，AWCD值增長速率各不相同，說明不同處理間微生物對碳源利用能力有較大差異。培養(yǎng)第96 h時，0～10 cm土層AWCD值順序?yàn)镹50＞N30＞N100＞N15＞N0＞N200＞N150＞N300，方差分析表明，各處理間AWCD值差異顯著，低氮添加（N15、N30、N50）顯著高于高氮添加（N150、N200、N300）；10～20 cm土層，不同氮添加處理下AWCD值大小順序與0～10 cm土層結(jié)果不同。相同氮添加處理下不同土層土壤的AWCD值差異也很明顯。培養(yǎng)168 h時，N0、N15、N30、N50、N100、N150、N200、N300處理0～10 cm土層的AWCD值分別是10～20 cm土層的121.64%、126.09%、138.74%、194.01%、113.64%、104.74%、119.51%、116.58%。整體來看，培養(yǎng)期內(nèi)0～10 cm土層土壤微生物的碳源利用能力高于10～20 cm土層。

表1 不同氮添加下土壤化學(xué)性質(zhì)Table 1 Soil chemical properties in different nitrogen addition treatments

表2 不同氮添加下土壤微生物量碳、氮Table 2 Soil microbial biomass C,N in different nitrogen addition treatments

2.3 土壤微生物群落多樣性指數(shù)的變化

不同氮添加下土壤微生物群落的功能多樣性指數(shù)不同（表3）。高氮添加（N150、N200、N300）在0～10 cm、10～20 cm土層的Shannon指數(shù)H均顯著低于對照（P＜0.05），優(yōu)勢度指數(shù)D也均低于對照，但不同處理間無顯著差異（P＞0.05）。10～20 cm土層除N100處理的Shannon指數(shù)H與對照無顯著差異外，其余6個N處理的Shannon指數(shù)H均顯著低于對照；優(yōu)勢度指數(shù)D和均勻度指數(shù)E與對照相比，均無顯著差異（P＞0.05）。相同氮添加處理不同土層Shannon指數(shù)H和優(yōu)勢度指數(shù)D大致表現(xiàn)為0～10 cm土層＞10～20 cm土層。

2.4 土壤微生物群落碳源利用的主成分分析

圖1 不同氮添加和土壤深度土壤微生物群落的平均顏色變化率隨時間的變化Figure 1 Changes of soil average well color development of soil microbe community with time under different nitrogen addition and soil depths

表3 不同氮添加下土壤微生物群落多樣性指數(shù)Table 3 Diversity indices for soil microbial communities in different nitrogen addition

Biolog微孔中的31種碳源根據(jù)官能團(tuán)的不同分為6大類，分別為碳水類、氨基酸類、羧酸類、酚酸類、多聚物類、胺類[18]。利用培養(yǎng)96 h的AWCD值，在不同土層內(nèi)對31種碳源底物利用情況進(jìn)行主成分分析。主成分提取的原則是提取特征值大于1的前m個主成分。根據(jù)此原則，在不同土層內(nèi)提取6個主成分，0～10 cm土層，PC1軸貢獻(xiàn)率為44.89%，PC2為18.08%。10～20 cm土層，PC1軸貢獻(xiàn)率為32.49%，PC2為16.60%。圖2結(jié)果表明，不同氮添加處理的PC值在PC軸上出現(xiàn)了明顯的分布差異，說明氮添加量顯著影響了土壤微生物群落對碳源的利用能力。碳源利用能力分布差異表明，0～10 cm土層與10～20 cm土層N150、N200、N300處理中微生物群落對PC1、PC2相關(guān)碳源利用能力偏低。0～10 cm土層，N30、N50處理中微生物群落主要利用PC1相關(guān)碳源，N0、N15、N100處理中主要利用PC2相關(guān)碳源；10～20 cm土層，N0、N30處理中微生物群落主要利用PC1相關(guān)碳源，N15、N50處理中主要利用PC2相關(guān)碳源，N100處理中對PC1、PC2碳源利用能力均較高。

2.5 土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物生物量碳、氮與土壤微生物功能多樣性之間的相互關(guān)系

相關(guān)分析（表4）表明，土壤pH、微生物熵、微生物生物量碳氮比與土壤微生物Shannon指數(shù)H（0～10 cm、10～20 cm）呈顯著正相關(guān)，與均勻度指數(shù)E（0～10 cm）之間呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤全氮與土壤微生物Shannon指數(shù)H（10～20 cm）、優(yōu)勢度指數(shù)D（0～10 cm）、均勻度指數(shù)E（0～10 cm、10～20 cm）之間呈極顯著正相關(guān)。土壤全磷與土壤微生物Shannon指數(shù)H（10～20 cm）、優(yōu)勢度指數(shù)D（0～10 cm）呈顯著相關(guān)，與優(yōu)勢度指數(shù)D（10～20 cm）、均勻度指數(shù)E（10～20 cm）之間呈極顯著正相關(guān)。土壤有機(jī)碳、微生物生物量氮、硝態(tài)氮與微生物Shannon指數(shù)H（0～10 cm、10～20 cm）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與均勻度指數(shù)E（0～10 cm）之間呈極顯著正相關(guān)。土壤pH、有機(jī)碳、全氮、全磷、微生物生物量氮、微生物熵、微生物生物量碳氮比、硝態(tài)氮是影響土壤微生物群落功能多樣性的重要環(huán)境因子。這說明，長期的氮素添加使土壤的理化性質(zhì)、微生物生物量發(fā)生了變化，從而影響微生物的功能多樣性。

3 討論

3.1 氮添加對土壤微生物生物量的影響

圖2 不同氮添加條件下土壤微生物碳源利用的主成分分析Figure 2 Principal components analysis for carbon utilization of soil microbial communities in different nitrogen addition

表4 土壤理化性質(zhì)與微生物群落多樣性指數(shù)之間的相關(guān)性Table 4 Correlation analysis between soil chemical properties and soil microbial communities diversity indices

土壤微生物生物量是植物營養(yǎng)物質(zhì)的源和庫，與養(yǎng)分循環(huán)密切相關(guān)[19]，常被用來評價土壤質(zhì)量的生物學(xué)性狀。在不同生態(tài)系統(tǒng)中，氮添加對土壤微生物多樣性的影響不盡相同。Maaroufi等[20]研究表明，低濃度的氮添加可以提高微生物生物量。但另一些研究表明，氮添加降低了微生物生物量[21－22]。本研究表明，高氮添加降低了微生物生物量碳，提高了土壤微生物生物量氮。這與洪丕征等[23]在模擬氮沉降對紅椎人工幼齡林和Li等[24]在科爾沁沙質(zhì)草地上開展的氮添加試驗(yàn)對土壤微生物生物量影響的研究結(jié)果一致。分析認(rèn)為，高氮添加彌補(bǔ)了由于植物生長和氮素?fù)p失造成的氮素消耗，加大了土壤微生物生物量氮的固持，但另一方面，則因加速了土壤原有有機(jī)碳的分解而降低了土壤微生物生物量碳。

土壤微生物熵是指土壤微生物生物量碳占土壤有機(jī)碳含量的百分比[25]，反映土壤中活性有機(jī)碳所占的比例。一般土壤中微生物熵值為1%～4%，由于土壤類型、采樣時間、分析方法和管理措施等的不同，文獻(xiàn)報道的微生物熵值擴(kuò)大為0.27%～7%。本研究中微生物熵的范圍為0.77%～2.29%，與文獻(xiàn)的報道數(shù)值相符。高氮處理（N100、N150、N200、N300）的微生物熵值顯著低于對照。表明長期單施化肥會降低土壤微生物熵，土壤活性有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率變慢。土壤微生物生物量碳氮比可反映微生物群落結(jié)構(gòu)信息，其顯著變化預(yù)示著微生物群落結(jié)構(gòu)變化[26]。本研究中高氮添加處理的土壤微生物生物量碳氮比與低氮添加、無氮添加有顯著差異（表2），說明長期高氮添加使以主要碳源為代謝基質(zhì)的微生物類群組成發(fā)生了明顯變化。3.2氮添加對土壤微生物多樣性的影響

AWCD值高低反映了微生物群落代謝活性高低[16]。N15、N30、N50和N100的AWCD值高于對照，N150、N200和N300的AWCD值則低于對照（圖1）。表明適量的氮添加對貝加爾針茅草原土壤微生物群落代謝活性具有積極影響，過量氮添加則抑制微生物群落代謝活性。不同氮處理下0～10 cm土層微生物的AWCD值高于10～20 cm土層，與吳則焰等[27]和蔡進(jìn)軍等[28]的研究結(jié)果一致。貝加爾針茅草地大部分的根系存在于0～10 cm土層，相較于10～20 cm土層有更多的植物根際分泌物，而植物根際分泌物對其周圍微生物群落生長和代謝的促進(jìn)作用可能是導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因[29-30]。主成分分析結(jié)果表明，相同土層不同氮添加量下微生物群落對第一和第二主成分相關(guān)碳源利用能力不同，各處理在PC軸上出現(xiàn)了明顯的分異，N150、N200、N300處理中微生物群落對第一和第二主成分相關(guān)碳源的利用能力偏低。分析認(rèn)為，過量氮素添加打破了土壤原有的養(yǎng)分平衡，改變了土壤養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程，加大了微生物群落的不穩(wěn)定性。

氮添加引起貝加爾針茅草地土壤化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變（表1），使土壤微生境發(fā)生改變，從而影響了微生物多樣性[31]。氮添加所導(dǎo)致的土壤pH的降低是影響土壤微生物功能多樣性發(fā)生變化的主要因素之一[1]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤硝態(tài)氮與土壤微生物Shannon指數(shù)H（0～10 cm、10～20 cm）呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤微生物群落的氮素供應(yīng)狀況影響其功能多樣性。其原因可能在于氮添加后土壤硝態(tài)氮增加，土壤中游離氮離子增多，導(dǎo)致土壤酸化[32]，而通常認(rèn)為土壤細(xì)菌群落在中性pH條件下更趨于均一，豐富度和多樣性也越高[33]。本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤微生物Shannon指數(shù)H與pH之間呈顯著正相關(guān)，表明氮添加造成的pH值降低，導(dǎo)致了土壤微生物功能多樣性的降低。Freitag等[34]在研究草地土壤微生物對外源氮輸入的響應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)施氮不利于提高草原土壤微生物α-多樣性。高氮添加與低氮添加及無氮添加在碳源利用能力上有很大差異，原因可能在于高氮添加引起土壤高滲環(huán)境，對微生物群落造成脅迫，也可能由于高氮添加使貝加爾針茅草地植物群落多樣性發(fā)生改變[35]，從而造成凋落物產(chǎn)量及生化性質(zhì)改變[36]，進(jìn)而影響異養(yǎng)微生物底物可獲得性。本研究中土壤Shannon指數(shù)H與土壤有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)，可能是因?yàn)槭┯脽o機(jī)氮肥提高了植物生產(chǎn)力，增加了凋落物、植物根茬等的殘留，使土壤中積累的有機(jī)碳總量增加。氮添加對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響存在閾值效應(yīng)，如Yao等[37]在對羊草草地生態(tài)系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)了氮添加的閾值效應(yīng)。本研究也發(fā)現(xiàn)了閾值，即N100處理是研究區(qū)貝加爾針茅草地氮添加的閾值，添加氮超過100 kg·hm-2后土壤微生物活性降低。劉蔚秋等[38]的研究表明，草地生態(tài)系統(tǒng)未達(dá)到氮飽和時，適量的氮素添加能夠降低土壤微生物的營養(yǎng)壓力，但是過量的氮添加將增加土壤環(huán)境變化對微生物群落的脅迫程度，使微生物的生長和活性受到抑制[39]。

4 結(jié)論

（1）連續(xù)高濃度氮添加降低貝加爾針茅草原土壤微生物生物量碳，提高微生物生物量氮，改變土壤微生物碳源利用能力，不利于草地土壤微生物多樣性的提高。在該試驗(yàn)條件下，施氮量100 kg N·hm-2是研究區(qū)微生物活性從促進(jìn)到抑制的一個閾值。因此選擇合適的氮添加量對于促進(jìn)貝加爾針茅草原土壤微生物碳源利用能力尤為重要。

（2）土壤微生物功能多樣性與土壤pH、有機(jī)碳、全氮、全磷、微生物生物量氮、微生物熵、微生物生物量碳氮比、硝態(tài)氮密切相關(guān)，說明土壤pH、微生物生物量和土壤養(yǎng)分影響土壤微生物功能多樣性。

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Effects of different long-term nitrogen addition on soil microbial diversity of Stipa baicalensis steppe in Inner Mongolia,China

LIU Hong-mei,ZHANG Hai-fang,HUANGFU Chao-he,LI Jie,ZHOU Guang-fan,YANG Dian-lin*
（Agro-Environmental Protection Institute,Ministry of Agriculture,Tianjin 300191,China）

To reveal the responses of soil microbial biomass carbon,soil microbial nitrogen and functional diversity of soil microbe to long term nitrogen additions inStipa baicalensissteppe,chloroform fumigation extraction method and Biolog Ecoplate were used to study the changes in soil microbial diversity under different N treatments,including N0（0 kg N·hm-2）,N15（15 kg N·hm-2）,N30（30 kg N·hm-2）, N50（50 kg N·hm-2）,N100（100 kg N·hm-2）,N150（150 kg N·hm-2）,N200（200 kg N·hm-2）,N300（300 kg N·hm-2）.Soil samples were separately collected from the 0～10 cm and 10～20 cm soil layer.The results showed that long-term applications of inorganic nitrogen reduced the soil microbial biomass carbon,while higher nitrogen treatments enhanced the microbial biomass nitrogen,thus significantly reduced the microbial quotient.The AWCD values of the soil microbial communities in 0～10 cm soil layer varied as follows：N50＞N30＞N100＞N15＞N0＞N200＞N150＞N300.Within same nitrogen treatment,soil microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen and the overalltrend AWCD value in 0～10 cm soil layer was higher than those in 10～20 one.At 0～10 cm soil layer,higher nitrogen treatments（N100, N150,N200,N300）reduced the Shannon index and increased the evenness index,but not for dominance index.Principal component analysis showed that there were very significant differences between higher nitrogen treatments and lower nitrogen treatments and the control in the carbon utilization ability of soil microbial community.Soil parameters,including pH,total nitrogen,total phosphorus,microbial biomass N,microbial quotient,microbial biomass C/N and nitrate nitrogen,had close relationships with microbial functional diversity.Moreover,100 kg N·hm-2was the threshold with which the effect on microbial activity shift from stimulation to inhibition after long-term nitrogen addition in the study area.

Stipa baicalensis steppe;nitrogen addition;soil microbial biomass;soil microbial diversity

S154

A

1672-2043（2017）04-0709-09

10.11654/jaes.2016-1267

2016－09-30

劉紅梅（1976—），女，河北滄州人，副研究員，從事生物多樣性與生態(tài)農(nóng)業(yè)研究。E-mail：liuhongmei@caas.cn

*通信作者：楊殿林E-mail：yangdianlin@caas.cn

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170435）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（31170435）

劉紅梅，張海芳，皇甫超河，等.長期氮添加對貝加爾針茅草原土壤微生物群落多樣性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（4）：709-717.

LIU Hong-mei,ZHANG Hai-fang,HUANGFU Chao-he,et al.Effects of different long-term nitrogen addition on soil microbial diversity of Stipa baicalensis steppe in Inner Mongolia,China[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（4）:709-717.