高寒草甸植物吸收土壤有机氮的研究

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近年来许多研究表明,在极地苔原、北方森林和高寒草甸等受到强烈氮限制的生态系统中,多种植物具有从土壤中直接吸收小分子有机氮尤其是氨基酸的能力。然而关于季节、土壤深度、有机氮形态以及土壤微生物如何影响植物对氨基酸吸收的系统研究却十分有限。因此,本文以禾叶嵩草(Kobresia graminifolia)、珠芽蓼(Polygonum viviparum)和垂穂披碱草(Elymus nutans)为优势种的高寒草甸为研究对象,测定了三个草地型土壤中氨基酸的含量、扩散通量及组成;确定了三种植物及其土壤的15N天然同位素丰度(δ15N);并在野外原位条件下,采用13C15N双标记同位素示踪技术,研究了三种植物和土壤微生物对氨基酸的吸收特征;阐明了枯落物对土壤氨基酸的影响,探讨了植物与土壤间的氮素反馈机理;力图阐明高寒草甸植物吸收利用土壤有机氮的策略,以及在氮限制的高寒草甸中嵩草占优势的机制,以期为维护高寒草甸生态系统的稳定性和可持续发展性提供科学依据。主要研究结果如下:(1)禾叶嵩草、珠芽蓼和垂穂披碱草草地土壤中的可交换氨基酸含量分别为0.22.6、0.21.5和0.11.8μg N g-1,可交换氨基酸库的大小与无机氮库相近;含量最高的五种可交换氨基酸为赖氨酸(L-lysine,Lys)、谷氨酸(L-glutamic acid,Glu)、亮氨酸(L-leucine,Leu)、丙氨酸(L-alanine,Ala)和丝氨酸(L-serine,Ser)。在植物生长旺季,禾叶嵩草草地土壤中的可交换氨基酸含量显著高于垂穗披碱草草地。(2)三个草地型土壤中自由态氨基酸的扩散通量为22.639.9 nmolcm-2h-1,分别是NH4+和NO3-扩散通量的1.22.3倍和5.912.5倍;扩散通量最高的自由态氨基酸依次为Glu、甘氨酸(glycine,Gly)、Ala、Ser和Lys。在植物生长旺季,禾叶嵩草草地土壤中的自由态氨基酸的扩散通量显著高于珠芽蓼草地。(3)禾叶嵩草、珠芽蓼和垂穂披碱草三种植物的δ15N值分别为-2.2‰1.8‰、0.5‰1.8‰和0.3‰2.4‰;其土壤的δ15N值为4.6‰5.0‰,显著高于植物。禾叶嵩草的δ15N值显著低于珠芽蓼和垂穗披碱草。(4)在以禾叶嵩草为优势种、珠芽蓼和垂穂披碱草为主要伴生种的草地中,三种植物均可吸收土壤中的13C15N双标记氨基酸,其对各类氨基酸的完整吸收率为076.8%。三种植物对氨基酸中15N的吸收速率分别为0.070.9、0.050.4和0.020.5μg g-1h-1,接近于其对NH4+的吸收速率。三种植物对氨基酸的吸收速率受到季节、土壤深度和有机氮形态的显著影响。(5)三种植物与土壤微生物竞争氨基酸时存在着时间、空间以及有机氮形态上的生态位分化。植物在8月较9月、在土壤深度3 cm处较7 cm处的竞争能力更强;禾叶嵩草和垂穗披碱草对Gly的竞争能力较其对其他氨基酸强。三种植物与土壤微生物竞争氨基酸的能力呈现禾叶嵩草>珠芽蓼>垂穗披碱草的特点。(6)三种植物的枯落物回归土壤后,显著促进了土壤微生物活性以及与氮循环有关的土壤酶活性,抑制了土壤的净氮矿化,而提高了土壤中的可交换氨基酸含量。
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