模拟氮沉降对草原生态系统生产功能、群落结构与土壤呼吸的影响

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随着全球矿物燃料大量消耗和化肥的大量使用,氮沉降量在过去的几十年间不断增加。中国已成为全球第三大氮沉降集中区,其中华北、华东以及内蒙古中西部草原区是高氮沉降地区。氮沉降引起了严重的氮饱和问题,深刻影响了生态系统生产力、多样性、群落结构和养分循环等生态系统功能与过程。本文通过在内蒙古呼伦贝尔草甸草原和锡林郭勒典型草原设置对照CK(0 g.N/m2/yr)、低氮(LN,2.5g N/m2/yr)、中氮(MN,5g N/m2/yr)、高氮(HN,10g N/m2/yr)等四个模拟氮沉降浓度和磷(P,10g N/m2/yr)、氮磷组合(NP,10g NP/m2/yr)添加实验,测定与分析了20122017年连续6年6个处理条件下群落地上生物量,α、β与γ多样性指数,生活型功能群生物量,水分生态类型,群落谱系多样性,群落土壤呼吸速率及其对温度敏感性(Q10)等指标的影响,旨在揭示氮沉降与养分添加对生态系统功能的影响。该研究对系统揭示氮沉降对生态系统结构、功能与过程影响、生态系统稳定性机制的理论研究有一定的意义,对草原生态系统应对全球变化、草地管理的实践也有积极的作用。主要研究结果与结论如下:1.连续6年实验结果表明,LN、MN和HN三个模拟氮沉降水平均没有显著改变内蒙古草甸草原和典型草原群落地上总生物量;但两类草原均对NP添加的响应程度最高,除特别干旱的年份外(2017年),与对照相比,NP添加有增加群落地上总生物量的趋势,特别是氮磷耦合添加显著提高了典型草原的生产功能;而单独P添加的响应最低。表明氮沉降对群落生物量的影响主要依赖于水-氮-磷的耦合作用。2.模拟氮沉降与养分添加对草甸草原Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、α与γ多样性指数均有显著影响,表现为NP、HN、MN和LN等养分添加处理显著降低了草甸草原的Shannon-Wiener和Pielou指数,随着N添加浓度的增加,在实验中后期,α多样性指数逐渐降低,特别是HN和NP添加显著降低了群落的α和γ多样性指数,而对典型草原影响不显著,表明氮沉降主要降低了水分较好的草甸草原群落物种多样性;P添加对两类草原的多样性指数均没有显著影响;模拟氮沉降对两类草原群落各年度β多样性影响均不显著,但不同浓度的N添加降低了草甸草原群落β多样性的多年平均值;各处理均没有改变群落谱系多样性。3.氮沉降与养分添加主要影响群落功能群组成,草甸草原LN,MN和NP处理显著提高多年生根茎禾草(PR)的比例,NP处理显著降低了群落次优势生活型功能群多年生丛生禾草(PB)比例;在典型草原,多年生杂类草(PF)在MN处理下显著增加,NP处理显著提高一二年生植物(AB)比例,降低了PB的比例,HN处理显著降低AB比例;N、P养分添加对典型草原水分生态类型影响较弱,而对草甸草原有一定的影响,HN、P和NP处理显著降低了旱中生植物的比例,NP处理显著增加了旱生植物的比例。4.在土壤呼吸响应显著的年份中,不同草原类型土壤呼吸速率对模拟N沉降水平的响应不同,草甸草原LN处理表现为抑制土壤呼吸,在HN处理下,促进土壤呼吸速率,典型草原未能表现出显著差异;P添加在草甸草原和典型草原中均表现为抑制效应,NP添加在两种类型草原中效应并不明显;表明氮沉降对土壤呼吸的影响只有在水分条件较好的时候才能起作用。5.2012-2017年两类草原的Q10值在0.852.98之间波动,草甸草原的Q10值最高为2.20±0.53,典型草原为2.08±1.06。养分添加并没有显著降低两个草原类型土壤呼吸的温度敏感性,LN、HN和P添加等三个处理有增加草甸草原和典型草原土壤呼吸温度敏感性的趋势。Q10的变化基本不受土壤水分和土壤温度变化的影响。上述研究结果表明氮沉降只有在水分相对充足的草地类型或降水较高的年/月份,才能对生态系统结构、功能与过程起作用,且更多依赖于水-氮-磷的耦合作用;氮沉降对草原生态系统地上总生物量影响较弱,主要影响群落的功能群尺度组成,群落通过各功能群间的互补作用维持了生态系统生产功能的相对稳定。
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