生态化学计量学(ecological stoichiometry)是评估生物个体或种群体内重要元素如碳(C)、氮(N)和磷(P)含量及耦合关系的重要理论。草地是陆地生态系统的重要组成部分,草地中各生物与非生物组分的生态化学计量特征及其变化,已成为评估草地生态系统质量与健康的重要手段之一。根际是生态系统地上、地下组成部分之间进行养分和能量交换的重要界面,也是一个特殊的生态系统。根际微生态系统理论(Rhizosphere Micro-ecosystem Theory),是指植物根系周围土壤微域各个因子相互作用的整体系统,是研究根土界面微域与植物-土壤-微生物及其环境因素相互作用的规律,探讨根际微域内物质循环、能量转化和调控过程的理论。N和P元素是草地关键的限制性营养元素,大气氮沉降和施肥等自然和人为形式的N、P输入会改变草地的C、N、P循环过程,从而对草地中各生物与非生物组分的C、N、P含量及其化学计量特征产生影响。迄今为止,研究者对草地根际微生态系统中多个组分,如植物-土壤-根际微生物之间的化学计量特征及其对外源养分(如N和P)输入的响应规律及机制所知甚少。本研究以松嫩草地的建群种与优势种羊草(Leymus chinensis)为研究对象,采用完全随机的盆栽控制实验,并设置了空白对照(CK)、氮添加(N)、磷添加(P)及氮磷共同添加(N+P)四种处理方式。本实验研究了根际微生态系统中羊草(根、茎、叶各器官)、土壤、根际微生物和酶中关键养分元素(C、N、P)对于N、P添加处理的响应,并分析了上述组分之间的相互耦合关系及其变化规律。获得的主要研究结论如下:(1)氮磷添加对土壤理化性质具有显著影响。N添加显著降低了土壤的电导率和含水量,显著提高了土壤有机碳(SOC)和N含量;P及N+P添加显著减少了土壤pH和含水量,增加了土壤P含量;N、P及N+P添加显著降低了土壤N:P和C:P。(2)根际土壤微生物的化学计量特征对氮磷添加的响应存在差异。N、P及N+P添加均显著减少了微生物生物量C、N含量。表明短期内大量的N、P输入导致土壤中的C不足以维持微生物快速的初始生长速率,使其受到C而非N、P的限制,造成根际微生物的大量死亡,从而使根际微生物在与植物的养分竞争中处于劣势地位。(3)根际土壤酶活性仅对N添加存在显著响应,对P添加无响应。N添加下,与C循环相关的土壤酶,即α-1,4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1,4-葡萄糖苷酶(βG)、β-1,4-木糖苷酶(βx)、β-D-纤维二糖苷酶(CBH)和与P循环相关的土壤酶,即酸性磷酸酶(aP)活性均呈现出增加的趋势,但其中βG活性变化不显著。根据微生物资源分配策略,短期内大量添加N导致微生物受到C、P限制,刺激微生物分泌C、P循环相关酶,以满足其对C、P营养元素的需求。同时,N添加下与N循环相关的土壤酶,即β-1,4-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)活性显著增加,这与资源配置理论(Resource allocation theory)相悖。本研究中土壤N含量贫瘠,短期内大量的N输入提高了土壤N含量,使得分配于合成NAG的N增加,在短期内产生了一种新的N分配策略。(4)氮磷添加下,羊草的叶、茎、根生物量、株高以及叶片光合速率均显著增加,且叶、茎、根的C、N、P含量及化学计量比值也产生了不同的变化。表明羊草生长受到了土壤中N、P的共同限制,其中受N限制的作用更强。N添加虽能缓解N限制产生的影响,但会使植物生长所受的限制转变为P限制。P添加会加剧草地受N限制的程度,从而破坏植物C:N:P化学计量的平衡。(5)冗余分析(RDA)结果表明,氮磷添加下,土壤特性对根际土壤酶活性影响最高,根际微生物特征对其影响最小。表明土壤胞外酶虽由植物和微生物分泌,但在土壤中,其活性受土壤中非生物因素(土壤理化性质)的影响更大。土壤N、速效氮(AN)含量以及pH对酶的活性影响最为显著,说明土壤N浓度是影响土壤水解酶的活性的重要因子。羊草的叶、茎、根生物量、叶P含量、茎N:P和根N含量均对土壤酶活性有显著影响,表明植物生物量和N、P元素浓度也是土壤酶合成和分泌的主要影响因子。(6)氮磷添加下,在总体上,根际微生态系统中羊草-土壤之间的化学计量特征相关性最强,羊草-根际微生物以及土壤-根际微生物之间的相关性较强,酶化学计量与羊草、土壤、根际微生物化学计量之间的相关性均较弱。表明养分添加破坏了微生物的C:N:P化学计量的平衡,使得根际微生物与羊草和土壤C:N:P化学计量关系趋向于解耦合关系,同时在N、P添加下,土壤中可利用N、P含量的增加会导致其对酶水解释放养分的依赖性降低。但与羊草地下部分(根)相比,土壤、根际微生物和酶均与羊草地上部分(茎、叶)化学计量之间的相关性更强,说明植物的营养分配策略会影响各器官与土壤和根际微生物之间化学计量的相关性。综上所述,土壤、根际微生物、酶和植物的化学计量特征对于N、P添加的响应存在差异,导致根际微生态系统中各组分之间的C:N:P化学计量特征之间趋于解耦合,降低了根际微生态系统的稳定性。因此,若利用施肥改良草地,需考虑根际微生态系统中各组分间的元素平衡与养分联系,以提高草地改良措施的效率。同时,本研究也丰富了根际微生态系统理论,为根际微生态系统理论在化学计量学方面的应用提供了实验依据。