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人为活动导致全球大气氮沉降量显著增加，过量氮源的输入正在影响着草地生态系统的结构和功能。尽管土壤中可利用氮源的增加缓解了生态系统中植物和土壤微生物的氮限制，增加了地上植被的生物量并影响了微生物的降解活性，但是过多的氮源输入也会带来一些不利于植物和土壤微生物生存的环境问题，如:土壤酸化、盐基离子的流失和有毒重金属离子含量的增加等，从而减少植物和微生物的多样性。尽管大量的研究表明氮沉降会影响地上植被和土壤微生物群落，但是鲜少有研究关注不同的施氮量和施氮时间对地上植被和土壤微生物群落的影响，以及这些因素如何影响土壤有机碳组分和土壤微生物的降解功能。本研究选取中国最重要的牧区内蒙古温带半干旱草地进行氮沉降模拟实验，借助高通量测序和液相色谱质谱串联联用的方法研究了模拟6年和11年低、中、高量氮沉降对土壤微生物群落和土壤有机碳组分的影响及其地上植被、土壤理化性质、土壤微生物群落、土壤有机碳组分的相互关联，同时利用室内培养实验结合DNA-SIP技术研究了模拟11年不同氮沉降量下微生物的碳利用方式。主要结果如下:
(1)土壤pH随着氮沉降量的增加而降低，而土壤可溶性有机氮随着氮沉降量的增加而增加，这表明氮沉降显著增加了土壤中氮素的有效性，却造成了土壤酸化。地上植被的生物量随着氮沉降量的增加而增加，11年高量氮沉降增加了64.3％的地上植被生物量，这暗示着内蒙草地生态系统是一个氮限制的生态系统。地上植被的物种多样性随着氮沉降量的增加而减少，且11年氮沉降造成物种的丢失率大于6年氮沉降。氮沉降显著改变了地上植被的群落结构(R2=0.263，p=0.001)，氮沉降量越大植被群落结构的变化越大。然而氮沉降对土壤固态碳组分的影响微弱，仅11年氮沉降减少了烷基碳的丰度而增加了羧基碳丰度，这表明长期氮沉降会增加土壤碳的稳定性。
(2)氮沉降显著改变了土壤细菌的群落结构(R2=0.302，p=0.001)，细菌群落结构的变化随着模拟氮沉降的时间和沉降量的增加而增大，且11年低氮沉降量对细菌群落结构造成的影响(Bray-Curtis distance0.49±0.04)几乎与6年中氮沉降量对细菌群落结构的影响（Bray-Curtis distance0.51±0.05）相当。氮沉降抑制了具有固氮作用的固氮硝化螺旋菌的丰度，但增加了参与硝化作用的硝化螺旋菌和亚硝化单胞菌的丰度。模拟6年氮沉降下土壤理化性质和地上植被的变化共同影响土壤细菌群落的分异，但是随着模拟氮沉降时间的延长，地上植被对细菌群落的影响占据主导地位。
(3)氮沉降对土壤真菌群落的影响较小(R2=0.153，p=0.001)，所有的氮沉降处理均未显著改变真菌的物种多样性且6年低氮沉降并未改变真菌的群落结构。这表明与细菌相比，真菌对过量氮源的耐受力较强。通过FUNGuild对真菌进行功能类群的划分，发现氮沉降显著增加了木质腐生菌与植物病原菌的比值。进一步利用相关性分析构建土壤理化性质、地上植被和土壤微生物之间的关联，发现土壤理化性质和地上植被均能影响土壤真菌群落的变化，且随着模拟氮沉降时间的延长，植被对真菌群落的影响更加显著（模拟氮沉降6年:r=0.288，p=0.001;模拟氮沉降11年:r=0.352，p=0.001）。
(4)氮沉降显著改变了土壤非靶标代谢组分的组成(R2=0.109，p=0.001)，氮沉降量越大且模拟氮沉降时间越长对土壤非靶标代谢组分的影响越大。氮沉降抑制了土壤中碳水化合物的丰度，这预示着氮沉降条件下微生物对土壤有机碳的降解发生了变化。借助于相关分析，发现地上植被和土壤细菌群落是土壤非靶标代谢组分变异的主要驱动因素，其影响在11年氮沉降的条件下更明显。利用神经网络分析推测属于Entotheonelaeota、Actinobacteria、Acidobacteria、Proteobacteria、Chloroflexi、Nitrospirae和Gemmatimonadetes门的40个细菌sub-OTU（亚操作分类单元）和属于Mortierellomycota、Ascomycota、Basidiomycota和Rozellomycota门的583个真菌sub-OTU可能与土壤次生代谢产物、多肽、脂肪酸、碳水化合物代谢相关。
(5)利用模拟氮沉降11年的土壤样品进行室内培养实验，结合DNA-SIP技术来研究氮沉降背景下激发效应的变化及对微生物的碳利用方式的影响，发现添加了葡萄糖之后产生了正向激发，但是氮沉降并未改变正向激发的激发量。利用13C标记DNA找出利用葡萄糖的微生物类群，发现在不同的氮沉降量下，利用标记葡萄糖的细菌和真菌类群具有碳利用可塑性。K-策略的酸杆菌门(Acidobacteria)随着氮沉降量的增加而增加，r-策略的厚壁菌门(Firmicutes)随着氮沉降量的增加而减少。
总之，本研究利用原位模拟观察和室内培养相结合的方法，系统地研究了6年和11年低、中、高氮沉降对土壤理化性质、地上植被群落、土壤微生物群落、土壤有机碳组分及微生物的碳利用策略的影响。研究结果揭示了氮沉降对温带半干旱草地生态系统的影响，为评估氮沉降的环境效应、草地生态系统的稳定、草地生态系统多样性的维持和可持续发展提供了科学参考。
(1)土壤pH随着氮沉降量的增加而降低，而土壤可溶性有机氮随着氮沉降量的增加而增加，这表明氮沉降显著增加了土壤中氮素的有效性，却造成了土壤酸化。地上植被的生物量随着氮沉降量的增加而增加，11年高量氮沉降增加了64.3％的地上植被生物量，这暗示着内蒙草地生态系统是一个氮限制的生态系统。地上植被的物种多样性随着氮沉降量的增加而减少，且11年氮沉降造成物种的丢失率大于6年氮沉降。氮沉降显著改变了地上植被的群落结构(R2=0.263，p=0.001)，氮沉降量越大植被群落结构的变化越大。然而氮沉降对土壤固态碳组分的影响微弱，仅11年氮沉降减少了烷基碳的丰度而增加了羧基碳丰度，这表明长期氮沉降会增加土壤碳的稳定性。
(2)氮沉降显著改变了土壤细菌的群落结构(R2=0.302，p=0.001)，细菌群落结构的变化随着模拟氮沉降的时间和沉降量的增加而增大，且11年低氮沉降量对细菌群落结构造成的影响(Bray-Curtis distance0.49±0.04)几乎与6年中氮沉降量对细菌群落结构的影响（Bray-Curtis distance0.51±0.05）相当。氮沉降抑制了具有固氮作用的固氮硝化螺旋菌的丰度，但增加了参与硝化作用的硝化螺旋菌和亚硝化单胞菌的丰度。模拟6年氮沉降下土壤理化性质和地上植被的变化共同影响土壤细菌群落的分异，但是随着模拟氮沉降时间的延长，地上植被对细菌群落的影响占据主导地位。
(3)氮沉降对土壤真菌群落的影响较小(R2=0.153，p=0.001)，所有的氮沉降处理均未显著改变真菌的物种多样性且6年低氮沉降并未改变真菌的群落结构。这表明与细菌相比，真菌对过量氮源的耐受力较强。通过FUNGuild对真菌进行功能类群的划分，发现氮沉降显著增加了木质腐生菌与植物病原菌的比值。进一步利用相关性分析构建土壤理化性质、地上植被和土壤微生物之间的关联，发现土壤理化性质和地上植被均能影响土壤真菌群落的变化，且随着模拟氮沉降时间的延长，植被对真菌群落的影响更加显著（模拟氮沉降6年:r=0.288，p=0.001;模拟氮沉降11年:r=0.352，p=0.001）。
(4)氮沉降显著改变了土壤非靶标代谢组分的组成(R2=0.109，p=0.001)，氮沉降量越大且模拟氮沉降时间越长对土壤非靶标代谢组分的影响越大。氮沉降抑制了土壤中碳水化合物的丰度，这预示着氮沉降条件下微生物对土壤有机碳的降解发生了变化。借助于相关分析，发现地上植被和土壤细菌群落是土壤非靶标代谢组分变异的主要驱动因素，其影响在11年氮沉降的条件下更明显。利用神经网络分析推测属于Entotheonelaeota、Actinobacteria、Acidobacteria、Proteobacteria、Chloroflexi、Nitrospirae和Gemmatimonadetes门的40个细菌sub-OTU（亚操作分类单元）和属于Mortierellomycota、Ascomycota、Basidiomycota和Rozellomycota门的583个真菌sub-OTU可能与土壤次生代谢产物、多肽、脂肪酸、碳水化合物代谢相关。
(5)利用模拟氮沉降11年的土壤样品进行室内培养实验，结合DNA-SIP技术来研究氮沉降背景下激发效应的变化及对微生物的碳利用方式的影响，发现添加了葡萄糖之后产生了正向激发，但是氮沉降并未改变正向激发的激发量。利用13C标记DNA找出利用葡萄糖的微生物类群，发现在不同的氮沉降量下，利用标记葡萄糖的细菌和真菌类群具有碳利用可塑性。K-策略的酸杆菌门(Acidobacteria)随着氮沉降量的增加而增加，r-策略的厚壁菌门(Firmicutes)随着氮沉降量的增加而减少。
总之，本研究利用原位模拟观察和室内培养相结合的方法，系统地研究了6年和11年低、中、高氮沉降对土壤理化性质、地上植被群落、土壤微生物群落、土壤有机碳组分及微生物的碳利用策略的影响。研究结果揭示了氮沉降对温带半干旱草地生态系统的影响，为评估氮沉降的环境效应、草地生态系统的稳定、草地生态系统多样性的维持和可持续发展提供了科学参考。