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大气氮沉降作为全球环境问题,严重影响陆地生态系统功能和生物多样性,更好地理解氮沉降对植物物种的影响及植物对有效氮输入的响应机制,有助于理解氮输入环境下陆地生态系统物种多样性、结构和服务功能的变化。低温氮受限生态系统如高寒草甸,不同于一般生态系统,研究氮添加对高寒草甸生态系统功能及其稳定性的影响具有重要意义。本研究以青藏高原高寒草甸生态系统为研究对象,通过野外氮素添加试验,分析6年间不同氮形态(NH4-N、NO3-N、NH4NO3)、不同氮添加剂量(0,0.75,3.00,15.00 g N m-2yr-1)对高寒草甸植物群落物种和功能群组成、多样性、地上生产力、及生态系统稳定性的影响,进一步揭示外源氮输入干扰下高寒草甸生态系统稳定性的维持机制。主要研究结果如下:
⑴不同的氮添加形态(NH4-N、NO3-N、NH4NO3)对高寒草甸群落物种丰富度没有显著影响。就不同功能群来说,氮形态只对莎草物种丰富度有显著影响;氮添加形态对高寒草甸群落地上生物量的影响不存在显著差异,但是不同氮形态添加处理下,不同功能群表现出不同的反应,如NH4-N、NO3-N添加对禾草、杂草的影响无差异,NH4-N添加下莎草科与豆科类植物长势较好。
⑵不同氮素添加剂量在不同年份对高寒草甸群落地上生物量与物种丰富度的影响存在显著差异,尤其是高施氮量影响下,高寒草甸植物群落物种丰富度显著降低,主要是因为高氮添加显著降低了莎草与豆科植物的物种丰富度。高施氮量下的高寒草甸植物群落地上生物量显著升高,因禾草类生物量的增加量超过了其他功能群生物量的降低量。
⑶在氮素添加实验的第六年,群落物种丰富度响应比例与土壤有效氮响应比例之间的负相关说明氮素持续添加会降低高寒草甸群落物种丰富度,导致物种丢失。莎草、杂草类和豆科植物物种丰富度与土壤有效氮负相关,所以氮添加导致高寒草甸物种丢失主要是豆科类植物的消失以及高剂量NO3-N下莎草类的减少和高剂量NH4-N下杂草类的丢失。氮添加第六年,高寒草甸群落地上生物量响应比例与土壤有效氮响应比例之间不存在相关性,就不同植物功能群,禾草类地上生物量与土壤有效氮呈现显著正相关关系,而与莎草、杂草地上生物量与土壤有效氮呈现显著负相关关系,因此群落地上生物量的维持取决于禾草类植物与莎草和杂草类植物在高氮添加量下生物量变化的平衡。
⑷外源氮输入下高寒草甸生态系统稳定性维持与群落物种多样性间没有发现必然联系。但是高剂量氮添加却显著提高了优势物种优势度,占群落生物量较大比例的优势物种优势度的提高维持了生态系统的相对稳定。不同功能群植物地上生物量对外源氮输入的不同反馈机制与植物对不同形态养分的偏好,连同植物功能群间补偿动态的存在有效缓解了由于高剂量氮输入引起物种多样性降低对生态系统功能带来的负面影响,使得外源氮输入下高寒草甸植物群落稳定性得以维持。