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氮(N)元素是大气圈中含量最高的元素，同时也是限制陆地生态系统生产力的关键要素，土壤氮转化过程对维持自然生态系统土壤氮库和生产力至关重要。高寒草甸是我国面积最大的草地类型，主要分布在青藏高原。不施肥高寒草甸外源氮的输入有限，土壤内部氮转化成为植物和微生物主要的氮素来源，对草地生产力起到重要调节作用。近年来，过度放牧导致草地氮素被大量移除，高寒草甸退化严重，鼢鼠鼠害加剧，鼢鼠挖掘和采食行为可能剧烈改变土壤氮循环过程，并对草地生产力的维持构成威胁。以往对于草地土壤氮循环的研究，大都侧重净转化速率观测，净转化过程研究无法展现完整的土壤氮循环过程。随着同位素技术发展，研究土壤氮素总转化规律、展现完整的土壤氮循环过程成为必然趋势，而其中，对微生物固持速率的准确定量成为研究难点。
本文以青藏高原东缘典型高寒草甸为研究对象，利用15N同位素稀释技术研究了三种典型生物群系（矮嵩草高寒草甸、小嵩草高寒草甸和金露梅灌丛高寒草甸）土壤总氮转化规律，探索了适用于定量高寒草甸土壤微生物固持速率的方法，以期完整地展示周年尺度高寒草甸土壤氮循环过程（包括总矿化、总硝化和微生物固持）及其时空分布特征。在金露梅灌丛高寒草甸，评估了鼢鼠活动和冻融过程对土壤氮转化过程及氧化亚氮(N2O)排放的影响。主要研究结果和结论如下:
(1)高寒草甸土壤微生物氮固持速率的定量方法:
本研究在采用15N稀释技术定量土壤总矿化速率（m）和总硝化速率（n）的同时，分别用“同位素稀释法”和更新的“差值法”两种方法，计算微生物对无机氮的固持速率。理论上来说，“同位素稀释法”会因为15NH4+和15NO3-标记物的添加而高估NH4+和NO3-的固持，更新的“差值法”可能因为15NH4+标记物的添加而低估NO3-的固持。
本研究的结果表明，“同位素稀释法”计算的NH4+固持速率(ia)显著高于更新的“差值法”计算结果(p=0.001-0.015)。“同位素稀释法”周年累积ia（625-1164 mg N kg-1 dsyr-1，ds:dry soil，表示干土）大于或接近周年累积总矿化量（606-1158 mg N kg-1 dsyr-1），ia与总硝化量之和（861-1556 mg N kg-1 dsyr-1）远超周年累积总矿化量。相对于“同位素稀释法”添加底物的方法，更新的“差值法”避免了标记物添加对NH4+固持的激发效应。因此，更新的“差值法”更适于高寒草甸这类生态系统土壤微生物NH4+固持速率的定量。标记物15NH4+的添加促进了硝化过程，净硝化被显著高估，造成更新的“差值法”计算的NO3-固持速率出现较多的负值（周年累积in:-52-143 mg N kg-1 dsyr-1），因此“同位素稀释法”被认为是更适合于高寒草甸土壤NO3-固持速率的定量方法。
(2)高寒草甸土壤总氮转化时空变化特征:
高寒草甸土壤氮素总矿化（m）、总硝化(n)和NH4+固持速率（ia）表现出明显的季节变化特征，非冻结期（m、n和ia平均值:2.1-5.0、0.9-2.0和1.5-3.7mgN kg-1 ds d-1）＞冻融期（1.7-3.2、0.6-0.9和0.7-2.6 mgN kg-1 ds d-1）＞冻结期（0.7-2.0、0.3-0.5和0.5-1.1 mg N kg-1 ds d-1）。冻结期土壤氮转化持续发生，冻融期为微生物的相对活跃期，土壤冻结期和冻融期对周年累积总转化的贡献为23％-44％。因此，冻结期和冻融期氮转化速率观测对于准确描述周年土壤氮转化特征十分必要。
非冻结期微生物固持主导NH4+的消耗过程，冻结和冻融期存在NH4+累积可能和NH3挥发损失风险，植物吸收、反硝化和淋溶是土壤NO3-重要利用和损失途径。土壤总氮含量大小决定了总矿化水平，矿化为硝化和微生物固持提供底物从而影响总硝化和微生物固持，高寒草甸土壤微生物氮周转过程紧密耦合。
(3)鼢鼠活动对土壤总氮转化及N2O排放的影响:
相较于金露梅灌丛对照草甸，鼢鼠土丘总矿化速率降低（平均m分别为2.1±0.2和1.6±0.1 mgN kg-1 dsd-1，p=0.021），总硝化速率增加（平均n分别为1.2±0.1和2.1±0.3 mgNkg-1 ds d-1，p=0.003），相对硝化（n/m）比例增加（分别为0.6和1.4），因此，鼢鼠活动导致土壤中NO3-浓度升高（分别为1.8±0.2和38±4 mg N kg-1 ds，p＜0.001），增加了土壤氮素通过淋溶和气态氮排放形式损失的风险，鼢鼠土丘N2O排放通量显著高于对照草甸进一步证实了这种高损失风险（年排放总量分别为0.52±0.15和2.60±0.45 kg N ha-1yr-1，p=0.006）。
(4)土壤冻融过程促进高寒草甸N2O排放的机制:
金露梅灌丛短暂冻融期（52天）N2O排放占年排放总量的37％-47％，表明冻融期是高寒草甸N2O排放的关键期。本研究发现了土壤总硝化速率(n)与N2O排放通量线性正相关，但是，土壤冻结期和冻融期斜率远高于非冻结期（分别为1.61和0.23），表明当硝化过程产生N2O数量有限时，土壤冻结期和冻融期可能有其他过程主导了N2O产生。在冻融期土壤高水分含量（冻融后期WFPS＞70％）条件下，厌氧反硝化过程可能主导N2O产生，然而对于高寒草甸这种贫氮生态系统，冻融期硝化作用为反硝化过程提供了重要的NO3-底物，意味着高寒草甸硝化-反硝化耦合过程主导冻融期N2O生产。
综上所述，本研究建立了一种适用于高寒草甸土壤微生物NH4+固持速率的定量方法，并探究了高寒草甸典型生物群系土壤总氮转化的时空分布特征。在金露梅灌丛高寒草甸上，发现了鼢鼠活动对土壤氮转化和N2O排放过程的影响，证实鼢鼠活动增加了高寒草甸土壤氮损失。进一步明确了高寒草甸土壤氮转化季节动态与N2O排放季节动态的耦合关系。以上研究发现为深入了解青藏高原高寒生态系统氮素供应和损失机制、制定科学高效的高寒草甸管理策略提供了理论基础。
本文以青藏高原东缘典型高寒草甸为研究对象，利用15N同位素稀释技术研究了三种典型生物群系（矮嵩草高寒草甸、小嵩草高寒草甸和金露梅灌丛高寒草甸）土壤总氮转化规律，探索了适用于定量高寒草甸土壤微生物固持速率的方法，以期完整地展示周年尺度高寒草甸土壤氮循环过程（包括总矿化、总硝化和微生物固持）及其时空分布特征。在金露梅灌丛高寒草甸，评估了鼢鼠活动和冻融过程对土壤氮转化过程及氧化亚氮(N2O)排放的影响。主要研究结果和结论如下:
(1)高寒草甸土壤微生物氮固持速率的定量方法:
本研究在采用15N稀释技术定量土壤总矿化速率（m）和总硝化速率（n）的同时，分别用“同位素稀释法”和更新的“差值法”两种方法，计算微生物对无机氮的固持速率。理论上来说，“同位素稀释法”会因为15NH4+和15NO3-标记物的添加而高估NH4+和NO3-的固持，更新的“差值法”可能因为15NH4+标记物的添加而低估NO3-的固持。
本研究的结果表明，“同位素稀释法”计算的NH4+固持速率(ia)显著高于更新的“差值法”计算结果(p=0.001-0.015)。“同位素稀释法”周年累积ia（625-1164 mg N kg-1 dsyr-1，ds:dry soil，表示干土）大于或接近周年累积总矿化量（606-1158 mg N kg-1 dsyr-1），ia与总硝化量之和（861-1556 mg N kg-1 dsyr-1）远超周年累积总矿化量。相对于“同位素稀释法”添加底物的方法，更新的“差值法”避免了标记物添加对NH4+固持的激发效应。因此，更新的“差值法”更适于高寒草甸这类生态系统土壤微生物NH4+固持速率的定量。标记物15NH4+的添加促进了硝化过程，净硝化被显著高估，造成更新的“差值法”计算的NO3-固持速率出现较多的负值（周年累积in:-52-143 mg N kg-1 dsyr-1），因此“同位素稀释法”被认为是更适合于高寒草甸土壤NO3-固持速率的定量方法。
(2)高寒草甸土壤总氮转化时空变化特征:
高寒草甸土壤氮素总矿化（m）、总硝化(n)和NH4+固持速率（ia）表现出明显的季节变化特征，非冻结期（m、n和ia平均值:2.1-5.0、0.9-2.0和1.5-3.7mgN kg-1 ds d-1）＞冻融期（1.7-3.2、0.6-0.9和0.7-2.6 mgN kg-1 ds d-1）＞冻结期（0.7-2.0、0.3-0.5和0.5-1.1 mg N kg-1 ds d-1）。冻结期土壤氮转化持续发生，冻融期为微生物的相对活跃期，土壤冻结期和冻融期对周年累积总转化的贡献为23％-44％。因此，冻结期和冻融期氮转化速率观测对于准确描述周年土壤氮转化特征十分必要。
非冻结期微生物固持主导NH4+的消耗过程，冻结和冻融期存在NH4+累积可能和NH3挥发损失风险，植物吸收、反硝化和淋溶是土壤NO3-重要利用和损失途径。土壤总氮含量大小决定了总矿化水平，矿化为硝化和微生物固持提供底物从而影响总硝化和微生物固持，高寒草甸土壤微生物氮周转过程紧密耦合。
(3)鼢鼠活动对土壤总氮转化及N2O排放的影响:
相较于金露梅灌丛对照草甸，鼢鼠土丘总矿化速率降低（平均m分别为2.1±0.2和1.6±0.1 mgN kg-1 dsd-1，p=0.021），总硝化速率增加（平均n分别为1.2±0.1和2.1±0.3 mgNkg-1 ds d-1，p=0.003），相对硝化（n/m）比例增加（分别为0.6和1.4），因此，鼢鼠活动导致土壤中NO3-浓度升高（分别为1.8±0.2和38±4 mg N kg-1 ds，p＜0.001），增加了土壤氮素通过淋溶和气态氮排放形式损失的风险，鼢鼠土丘N2O排放通量显著高于对照草甸进一步证实了这种高损失风险（年排放总量分别为0.52±0.15和2.60±0.45 kg N ha-1yr-1，p=0.006）。
(4)土壤冻融过程促进高寒草甸N2O排放的机制:
金露梅灌丛短暂冻融期（52天）N2O排放占年排放总量的37％-47％，表明冻融期是高寒草甸N2O排放的关键期。本研究发现了土壤总硝化速率(n)与N2O排放通量线性正相关，但是，土壤冻结期和冻融期斜率远高于非冻结期（分别为1.61和0.23），表明当硝化过程产生N2O数量有限时，土壤冻结期和冻融期可能有其他过程主导了N2O产生。在冻融期土壤高水分含量（冻融后期WFPS＞70％）条件下，厌氧反硝化过程可能主导N2O产生，然而对于高寒草甸这种贫氮生态系统，冻融期硝化作用为反硝化过程提供了重要的NO3-底物，意味着高寒草甸硝化-反硝化耦合过程主导冻融期N2O生产。
综上所述，本研究建立了一种适用于高寒草甸土壤微生物NH4+固持速率的定量方法，并探究了高寒草甸典型生物群系土壤总氮转化的时空分布特征。在金露梅灌丛高寒草甸上，发现了鼢鼠活动对土壤氮转化和N2O排放过程的影响，证实鼢鼠活动增加了高寒草甸土壤氮损失。进一步明确了高寒草甸土壤氮转化季节动态与N2O排放季节动态的耦合关系。以上研究发现为深入了解青藏高原高寒生态系统氮素供应和损失机制、制定科学高效的高寒草甸管理策略提供了理论基础。