模拟氮沉降对温带草原氮去向的影响：来自多年15N同位素示踪研究的证据

本研究通过多年15N同位素示踪实验，系统揭示了不同梯度氮（N）添加下温带草原生态系统的氮滞留与再分配规律。研究发现土壤是主要氮汇（>50%），植物在超过5 g m?2 yr?1时出现氮饱和现象，硝酸盐向深层土壤（20-30 cm）迁移。长期高氮输入导致15N回收率降至21%以下，表明持续高沉降将威胁生态系统氮可持续性。

　　

研究亮点

氮库

氮添加对生态系统各组分氮含量（%）的影响详见表A.1。在¹⁵N示踪剂添加后的一个月和一年时，N25处理下的地上生物量（AGB）氮含量均显著高于其他处理（重复测量方差分析，P≤ 0.01）。对于地下生物量（BGB），其氮含量的显著增加仅发生在¹⁵N示踪剂添加一年后。在所有采样时间点，凋落物的氮含量对氮添加均无显著响应。

植物中¹⁵N示踪剂的去向

在环境本底条件（N0）下，示踪剂添加后的一个月和一年时，约有三分之一的额外¹⁵N被植物保留（表A.4）。该结果与先前在温带草原进行的多项研究一致（Clark, 1977; Epstein et al., 1998; Ma et al., 2020; Pan et al., 2004）。植物中回收的¹⁵N约有四分之三被根系吸收，这与高根冠比相一致。将更多氮分配给根系生物量是植物在氮限制环境中的一种适应策略，以最大化氮获取。然而，氮添加改变了植物对¹⁵N的吸收和分配。随着氮添加量的增加，植物对¹⁵N的回收率呈现先增加后降低的趋势，在N5处理下达到峰值（图2a, b）。这表明该草原生态系统的植物在氮添加量高于5 g N m^?2 yr^?1时开始出现氮饱和，这与我们之前的发现（Sheng et al., 2019）以及全球草原的氮饱和阈值（~5–10 g N m^?2 yr^?1; Clark and Tilman, 2008; Song et al., 2021）相符。

结论

通过利用¹⁵N标记在温带草原进行长期氮添加操控实验，本研究揭示了在高氮输入（包括大气沉降或人工草地施肥）下氮去向的重要规律。我们的结果表明，土壤是该生态系统中所有氮库中最大的氮汇。我们的发现证实，在该草原中，高于5 g N m^?2 yr^?1的氮添加速率导致了氮饱和。然而，这种效应在植物中最为显著，表现为植物¹⁵N回收率下降。相比之下，土壤，特别是深层土壤，在高氮输入下表现出更强的氮保留能力。此外，微生物在短期内对氮添加表现出积极的响应。经过八年时间，¹⁵N的总体回收率大幅下降，突显了植物-凋落物-土壤连续体在持续高沉降下面临着氮损失的风险。