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工业革命以来,化石燃料燃烧和氮肥广泛使用等人类活动加快了大气活性氮的释放,导致全球氮沉降水平持续升高。日益增加的氮沉降在增加植物生产力和土壤氮素有效性的同时也导致了诸多的负面效应,如:生物多样性的减少,水域生态系统的富营养化和土壤酸化。草原生态系统的氮素沉降在全球氮素循环中起着非常重要的作用。因此,确定新疆高寒草原的大气氮素干、湿沉降通量,科学评价外源氮输入对新疆高寒草原生态系统的物种多样性、生产力、温室气体排放及氮素循环的影响具有十分重要的意义。本研究以新疆巴音布鲁克高寒草原为对象,利用雨量器、DELTA系统、颗粒物采样器和被动采样器等定量确定大气氮素干、湿沉降通量。通过肥料氮素添加和水氮互作实验,系统研究不同氮沉降水平对物种丰富度、生物量的影响,同时分析了15N在草原植物.土壤中的去向,以及CH4、CO2和N2O等温室气体对氮素沉降、放牧管理及春季融化等的响应,主要研究结果如下:
1、新疆高寒草原物种丰富度低,在2460-3260m的海拔范围内,样地内出现的物种较少,共33个,分属17科30属。气候与土壤要素决定了该地区的植被分布和物种组成。研究发现,随海拔高度的增加,高寒草原地上生物量与物种丰富度发生较为一致的变化,二者之间呈显著的正相关关系;地上生物量与物种丰富度同时又与大气相对湿度、气温、土壤含水量和Ph值(影响土壤养分有效性)存在显著的相关性。这说明高寒草原生态系统的生产力和物种多样性在很大程度上受温度、水分和养分等环境条件的影响。
2、高寒草原的NH3、NO2、PNH4+、PNO3-和HNO3年均浓度分别为1.72、1.01、0.14、0.22和0.40μg Nm-3。氮素干沉降量为4.01kg N ha-1yr-1。NH4-N和NO3-N湿沉降通量分别为2.2和1.81 kg N ha-1yr-1,总的氮素沉降量约为8.0kg N ha-yr-1。
3、通过连续3年的研究表明,肥料氮添加对高寒草原的物种丰富度没有显著影响。由于氮肥的累积作用,群落总盖度、禾本科盖度、群落总的地上生物量、禾本科地上生物量逐年增加,但是杂类草的盖度和地上生物量变化不显著。除了氮素以外,非生长季的降水可能也是限制植物生长的重要因素。由于水分和氮素共同限制着我国草原植物的生长,因此本研究设计在植物生长初期增加少量(约5mm)降水缓解水分胁迫的情况下,氮素(30kg N ha-1yr-1)对植物生长的影响。研究表明,无论是单独增加水分还是同时增加水分和氮素均未改变高寒草原的物种数目。增加水分和同时增加水分和氮肥均增加了禾本科盖度和植物群落总盖度,其中禾本科盖度增加显著。同时增加水分和氮素的杂类草盖度显著降低、禾本科和群落总的地上生物量升高。随着实验时间的延长,氮素积累增加,单独增加水分和同时增加水分和氮素处理的杂类草地上生物量显著降低。本研究首次证明了水分和氮素的协同作用影响着高寒草原生态系统植物的生长。
4、随着氮添加水平的增加,茎叶中的NH4-N回收率没有显著变化,但NO3-N显著降低,二者变化分别为6.4-7.7%和8.2-17.3%;NH4-N和NO3-N在土壤中的回收率也呈显著降低的趋势,NH4-N回收率变化在15.1-42%,30和90kg N ha-1yr-1处理显著低于10kgkg N ha-1yr-1。NO3-N变化在10.6-32.7%之间,10kg N ha-1yr-1处理显著高于90kg N ha-1yr-1。NH4-N和NO3-N的损失率随着氮添加水平的增加而增加,变化范围在50.3-77.6%和50-81.2%之间。
5、新疆高寒草原春季融化阶段的N2O排放没有显著增加,其对全年的贡献仅为6.6%,冬季为16.7%,生长季节决定了全年的N2O排放,为76.7%。模拟氮沉降显著增加了CH4的吸收、CO2和N2O的排放,但在非生长季节和冬季无显著差异。Ch4吸收与大气温度和土壤温度(10cm)呈正相关但与土壤含水量(10cm)呈负相关。CO2和N2O的排放与大气温度、土壤温度(10cm)和土壤含水量(10cm)),以及N2O排放与模拟氮沉降之间均存在显著正相关关系,表明未来降水、温度和氮沉降的增加将会加剧高寒草原生态系统土壤呼吸和N2O排放。此外,CO2和N2O的排放通量与植被盖度有一定的相关性,表明植物的类型也可能影响土壤温室气体的排放。本研究有助于深刻理解全球气候变化背景下大气氮沉降对高寒草原氮循环、植被群落和温室气体排放等的影响,对于评价全球氮沉降的高寒草原生态效应、地球系统模型的建立和信息决策者具有重要的科学价值。