摘要
草原是陆地生态系统的重要组成部分，为人类和众多有机体提供了重要的生态系统服务。但草地生态系统对人类活动和全球变化的高度敏感性决定了其易受自然及人类干扰。我国的草地生态系统约占陆地总面积的30-40％，其中大多正经历不同程度的退化。草原的退化主要是由人为干扰及人类活动引发的全球变化造成的，如过度放牧、大气氮沉降等会对草地生态系统结构和功能造成深远的影响。虽然有很多研究关注大气氮沉降对草地生态系统的影响，但很少有研究系统全面地阐述氮沉降等干扰停止后草地生态系统，尤其是地下微生物群落结构和功能的恢复。 为此本研究基于我国北方内蒙古典型草地生态系统中2008年开始的长期野外氮添加实验，对其土壤进行了微生物（真菌和细菌）群落组成、氮循环功能基因(chiA、AOA-amoA、AOB-amoA、nirK、nirS和nosZ)、甲烷氧化基因（pmoA）及土壤化学性质的测定，。土壤采自于不同氮水平处理下(0、2、5、10、20和50gNm-2yr-1)的连续11年(2008-2019)和连续施氮6年后(2008-2014)停止施氮3-5(2014-2017、2014-2018和2014-2019)年的样方中。本研究基于内蒙古典型草原长期氮添加野外实验平台，配合室内培养及分析试验，旨在研究氮添加停止后，自然恢复条件下草地生态系统地下微生物群落结构和功能的变化。具体的研究结果如下: 长期施氮显著降低了真菌、共生型真菌、腐生型真菌以及病原菌的alpha多样性;停止施N处理3到5年后，氮添加梯度仍然与共生型真菌、腐生型真菌以及病原菌多样性存在显著的负相关关系。连续施氮条件下，氮添加对共生型真菌的多样性有直接的负效应;停止施氮后，除氮水平对共生型真菌直接的负效应外，氮水平还会通过降低土壤pH和有效阳离子交换量(ECEC)对共生型真菌多样性产生间接的负效应。无论是是否停止施氮，地上植物群落属性与腐生型真菌多样性存在显著的相关关系。结构方程模型结果也表明，N添加水平会通过地上植物群落属性对腐生型真菌多样性产生边际显著的间接影响。在继续施氮和停止施氮处理中，病原菌多样性与腐生型真菌多样性正相关。此外在停止施氮处理中，氮添加水平会通过影响土壤可溶性有机碳和氮磷比间接影响病原菌多样性。在继续施氮处理中，真菌多样性的减少主要因为共生型真菌和腐生型真菌多样性的减少。在继续施氮处理中，氮添加水平对担子菌门的相对丰度有显著的正效应;在继续施氮和停止施氮处理中，氮添加水平对球囊菌门和被孢菌门的相对丰度有显著的负效应。继续施氮和停止施氮处理中，沿氮添加水平真菌群落组成都发生了显著改变。 无论是在继续施氮或停止施氮处理下，氮添加水平对土壤细菌alpha多样性有显著的负效应，尤其是在N50时负效应最显著。在继续施氮处理中，细菌alpha多样性变化的主要预测因子是ECEC，而在停止施氮处理中主要的预测因子是铵态氮和ECEC。在继续施氮或停止施氮处理中，N添加水平对变形菌门（富营养型）的相对丰度都有显著的正效应，而对酸杆菌门（寡营养型）和硝化螺旋菌门（参与N循环）均有显著的负效应。随N添加水平变化而改变的植物群落属性和土壤属性，是造成土壤群落beta多样性改变的直接或者间接因子。 土壤细菌高通量测序的结果表明，无论在继续施氮还是在停止施氮处理中，氮添加水平的提高对硝化螺旋菌的相对丰度有显著的抑制作用，而硝化螺旋菌在氮循环过程中起重要作用。通过qPCR的方法，研究发现长期N添加显著抑制了含有chiA、AOA-amoA、nirK、nirS以及nosZ等氮循环功能基因的微生物丰度，但显著促进了含AOB-amoA基因的微生物丰度。是否继续施氮、N添加水平以及两者的交互作用对氮功能基因丰度的影响依赖于年份的变化。结构方程模型的结果也表明影响除AOB-amoA之外其他氮循环功能基因丰度恢复的主要因子是pH和ECEC等土壤属性。 土壤甲烷氧化能力和氮添加水平之间存在单峰曲线型相关关系，停止氮添加后甲烷氧化能力恢复缓慢。甲烷的消耗仅在低水平氮添加时提高，而在较高水平氮添加时迅速降至零点，这可能是由土壤铵态氮浓度升高导致甲烷消耗与pmoA基因丰度之间的解耦合关系造成的。 综上所述，本研究结果表明，在接受高水平大气氮沉降影响的草地生态系统中，地下微生物功能的恢复相对于地上植物群落的恢复可能需要花费更长的时间。尽管如此，本研究也揭示了草地生态系统，尤其是地下微生物过程在应对自然和人为干扰时的脆弱性，同样也强调了在面对全球变化时应特别注意草原生态系统的保护和可持续利用。
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