放牧对草地生态系统服务和功能权衡关系的影响

内蒙古草原是我国北方的重要生态屏障和绿色畜牧业基地,放牧是草原生态系统的主要利用和管理方式,在放牧管理中充分发挥生态系统某一项或几项服务和功能最大利用价值时,往往会与其他服务(功能)发生冲突,需要权衡多项生态系统服务和功能,制定合理的放牧管理制度。该研究以内蒙古锡林郭勒典型草原为例,通过设置不放牧、轻度放牧、中度放牧以及重度放牧的放牧梯度,从多项生态系统服务和功能权衡的角度比较了最适放牧管理强度。结果显示,在放牧管理的草地生态系统服务和功能的权衡中,权衡、协同、不相关关系同时存在,如土壤呼吸速率与植物群落净生长量、生物多样性与植物群落净光合速率表现为权衡关系,植物群落净生长量分别与土壤含水量、植物群落净光合速率及草地蒸散速率存在协同关系,土壤有机碳含量与其他服务或功能间呈不相关关系;放牧能不同程度地削弱多项生态系统服务及功能间的权衡关系(冲突对立关系);中度放牧条件下的多项生态系统服务及功能的协同性最佳。     

清江流域生态系统服务权衡时空效应及驱动因素

识别流域生态系统服务权衡协同关系的时空分异特征及其影响因素,是生态系统管理和调控的重要基础,对高效配置环境资源和合理制定生态环境政策具有重要意义。本研究运用相关性分析、均方根偏差等方法分析清江流域2000—2020年粮食供给、净初级生产力(NPP)、土壤保持和产水服务间的权衡协同关系,并采用地理探测器分析影响生态系统服务权衡的决定因素。结果表明：2000—2020年,清江流域粮食供给服务呈下降趋势,NPP、土壤保持和产水服务呈递增态势;粮食供给与土壤保持服务、NPP与产水服务间权衡强度呈下降趋势,其他服务间权衡强度均呈增加趋势。粮食供给与NPP、土壤保持、产水服务间呈现东北权衡、西南协同的格局;NPP与土壤保持、产水服务在中部为协同关系、四周为权衡关系;土壤保持与产水服务表现为高度协同。土地利用和归一化植被指数为粮食供给与其他生态系统服务间权衡强度的主导因素,降水、气温和高程为产水服务与其他生态系统服务间权衡强度的主导因素,生态系统服务间权衡强度并非受单一因素的影响,两种服务间的相互作用或共同影响因素的驱动是其决定因素。研究结果可为国土空间生态修复规划策略的制定提供参考。     

长江上游生态状况变化及其服务功能权衡与协同

利用地面和遥感数据,采用GIS分析与模型模拟等方法,计算并分析了2000—2019年长江上游生态系统宏观结构、生态系统质量和生态系统服务的时空变化状况,利用相关分析法定量评估了生态系统服务的权衡与协同关系,并讨论了生态系统变化对生态系统服务的影响。结果表明：(1)长江上游聚落生态系统面积增加显著,农田和荒漠面积明显减少,陆地生态系统以草地、森林和农田之间转换为主。(2)2000—2019年,长江上游生态系统质量和服务总体稳定向好,部分区域转差。植被固碳量整体呈增加趋势,局部降低,多年递增速率为1.65 Tg/a;土壤保持服务功能呈波动中上升趋势,多年递增速率为2.20 t hm^-2 a^-1;水源涵养服务功能轻微下降,部分年际间变化较大。(3)长江上游生态系统的植被固碳与土壤保持、水源涵养与土壤保持之间以协同关系为主,植被固碳与水源涵养之间的权衡和协同关系比例相近。(4)气候是影响生态系统服务变化的主导因素,人类活动影响生态系统服务变化,最终改变生态系统服务之间的协同与权衡关系。     

不同放牧强度下羊草草原群落斑块植被-土壤特征

植物群落斑块化是天然放牧草地最基本的特征之一,影响着草地生态系统结构和功能。本研究以不同放牧强度下典型羊草草原植物群落斑块为研究对象,对植物群落多样性特征、初级生产力、土壤理化性质、植物养分含量及其相关关系进行研究。结果表明:随着放牧强度的增加,斑块群落内植物种类组成发生改变并趋于简单化,放牧敏感物种消失,物种多样性降低;高放牧强度显著降低了植物群落的地上净初级生产力;初级生产力与土壤氮含量具有显著的正相关关系;随着放牧强度增加,土壤碳、氮、磷含量呈现增加趋势;由于放牧强度及斑块结构的影响,土壤碳、氮、磷含量存在空间分布差异;同时,斑块群落中植被碳、氮、磷含量与土壤碳、氮、磷含量之间没有显著的相关性。研究表明,放牧能够改变草地群落结构和功能,引起植被-土壤养分之间的非同步性发展。     

重点脆弱生态区生态系统服务权衡与协同关系时空特征

目前,有关生态系统服务权衡与协同关系的研究多集中在局地尺度,在宏观尺度上的研究较少。重点脆弱生态区是我国改善生态环境的主要目标区域,在定量评估我国重点脆弱生态区1990—2015年土壤保持、植被净初级生产力(NPP)和产水服务的基础上,利用相关系数法并结合植被分布场数据对生态系统服务权衡与协同关系进行研究。结果表明:(1)26年间,重点脆弱生态区的土壤保持服务、NPP、产水服务呈现出南多北少的分布格局,且3种服务的年际变化较小,但均有上升的趋势;(2)重点脆弱生态区的3种生态系统服务之间是整体上协同,局部权衡的关系,并且协同关系呈减弱的趋势;(3)生态恢复区的生态系统服务的协同程度大于非生态恢复区,权衡关系减弱的动态变化趋势高于非生态恢复区。定量评估生态系统服务权衡与协同关系的时空特征,有利于研究生态系统服务之间相互关系在时间上的非线性和空间上的异质性,对重点脆弱生态区生态系统的可持续发展具有重要意义。     

不同载畜率处理下短花针茅荒漠草原生态系统净碳交换特征

草地生态系统是我国最大的陆地生态系统, 其碳循环的动态变化在全球碳收支平衡中扮演着重要角色。放牧是草地生态系统的主要利用方式。不同的放牧利用强度对草地生态系统会产生不同的影响。该文采用便携式光合仪LI-6400和密闭式箱法于2014-2016年生长季(5-10月)测定了3个载畜率处理(对照、轻度放牧和重度放牧)的生态系统净碳交换, 同步测定了土壤10 cm温度和湿度, 探讨载畜率、水热因素对短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原碳交换的影响。结果表明: 载畜率对生态系统净碳交换有显著影响, 随着载畜率的增加, 生态系统净碳交换、生态系统呼吸以及生态系统总初级生产力分别降低了48.6%、35.3%、40.4%。重度放牧显著降低了草地的固碳能力, 但轻度放牧对草地的固碳能力没有显著影响。年际间生态系统净碳交换主要受降水调控。整个生长季, 短花针茅荒漠草原均表现为碳吸收, 土壤温度对生态系统净碳交换的贡献率高于土壤湿度。     

Net ecosystem carbon exchange characteristics in Stipa breviflora desert steppe with different stocking rates

草地生态系统是我国最大的陆地生态系统, 其碳循环的动态变化在全球碳收支平衡中扮演着重要角色。放牧是草地生态系统的主要利用方式。不同的放牧利用强度对草地生态系统会产生不同的影响。该文采用便携式光合仪LI-6400和密闭式箱法于2014-2016年生长季(5-10月)测定了3个载畜率处理(对照、轻度放牧和重度放牧)的生态系统净碳交换, 同步测定了土壤10 cm温度和湿度, 探讨载畜率、水热因素对短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原碳交换的影响。结果表明: 载畜率对生态系统净碳交换有显著影响, 随着载畜率的增加, 生态系统净碳交换、生态系统呼吸以及生态系统总初级生产力分别降低了48.6%、35.3%、40.4%。重度放牧显著降低了草地的固碳能力, 但轻度放牧对草地的固碳能力没有显著影响。年际间生态系统净碳交换主要受降水调控。整个生长季, 短花针茅荒漠草原均表现为碳吸收, 土壤温度对生态系统净碳交换的贡献率高于土壤湿度。     

基于过程模型的2000—2018年中国陆地生态系统服务时空动态及其权衡与协同分析

2000年以来，中国陆地生态系统经历了剧烈变化并显著改变了生态系统服务。深入理解近20年中国陆地生态系统服务的时空演变格局及其权衡与协同关系对生态系统管理和可持续发展具有重要的理论和实践意义。基于最新发展的遥感驱动的生态系统服务评估过程模型(CEVSA-ES),研究定量评估了2000—2018年中国4种生态系统服务(即净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持)的时空格局及其权衡与协同关系。结果发现：(1)净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持等服务在2018的全国总量分别为3.68 Pg C/a、0.43 Pg C/a、1015.71 km³/a 208.18 Gt/a;东部季风区的生态系统服务显著高于西北内陆地区及青藏高原地区，特别是热带-亚热带地区主导了中国生态系统服务供给，其对全国尺度不同生态系统服务总量的贡献率均高于50%;(2)2000—2018年，全国净初级生产力、固碳、蓄水及土壤保持均呈增加趋势，年际变化速率分别为42.80 Tg C/a、13.42 Tg C/a、11.90 km³/a、1.11 Gt/a,其中净初级生产力、固碳、蓄水呈...     

北方农牧交错带多伦县生态系统服务权衡与协同关系研究

科学理解生态系统服务的权衡/协同关系,对于正确指导生态系统可持续管理实践具有重要意义。以位于北方农牧交错带的多伦县为研究区,基于土地利用/覆被、气象、土壤类型、归一化植被指数(NDVI)以及社会经济统计资料等多种数据,分析了2000年、2015年食物供给、碳固持、土壤保持、防风固沙及产水量5种生态系统服务的时空变化,识别了5种服务的供给热点区,并基于相关分析法从县域、乡镇及不同地类3种尺度上对生态系统服务间的权衡/协同关系进行分析。结果表明:(1)2000—2015年,食物供给与土壤保持量增幅较大,产水量与碳固持的供给量增幅较小,防风固沙量大幅下降,5种服务的空间格局基本保持不变;(2)多伦县1类热点区面积明显增加,3类热点区面积明显减少;面积占比超过50%的草地提供5种服务的能力强于耕地;(3)多伦县生态系统服务的权衡关系主要存在于产水量与土壤保持、产水量与碳固持、产水量与食物供给三对服务中;由于研究区生态系统环境的空间异质性较强,各乡镇和两种地类(草地和耕地)上分别只有4对和3对生态系统服务的权衡/协同关系与县域保持一致;(4)不同土地利用类型、海拔、土壤类型等因素的组合使多伦县乡镇之间及乡镇与县域之间的权衡/协同关系存在明显差异。因此,在生态环境更为复杂的整个北方农牧交错带,更需选取合适的空间尺度进行生态系统服务的权衡/协同关系分析,以指导决策者制定合理的生态系统管理措施。     

放牧对祁连山高寒典型草原土壤质量的影响

土壤质量是维持陆地生态系统稳定性与功能多样性的基础。放牧作为草地资源最广泛的利用方式之一,其对草地土壤质量的影响却缺乏量化标准,且两者之间的作用机理尚不明确。以祁连山高寒草原两个季节性牧场为研究对象,结合生态系统耦合与生态系统多功能性,探究了放牧对高寒草原土壤质量的影响与潜在机制。试验结果表明：基于最小数据集,不同放牧率下土壤质量指数差异显著(P<0.05),冬季牧场和春秋季牧场放牧率分别在2.45头月^-1 hm^-2和0.80头月^-1 hm^-2时土壤质量指数最高。土壤速效磷、有机碳、氮磷比和土壤pH是决定冬季牧场土壤质量的关键因子,而春秋季牧场中则是土壤有机碳、碳氮比和土壤pH;两个季节性牧场土壤质量指数与物种丰富度指数(P<0.05)和香浓维纳多样性指数(P<0.0001)呈显著正相关。高寒草原季节性牧场放牧地植物群落物种多样性与土壤因子耦合度在0.67—0.81之间,平均耦合度为0.74,属于中度协调;随着放牧率的增加,生态系统多功能性指数逐渐减低且与土壤质量指数变化趋势相似,...     

Growth and reproductive strategies of Thalictrum petaloideum under different stocking rates

放牧是内蒙古草原最主要的利用方式, 而草原植物在不同放牧压力下的生长和繁殖策略是它们与有蹄类动物长期协同进化的结果。为了了解瓣蕊唐松草(Thalictrum petaloideum)的生长和繁殖策略如何响应载畜率的变化, 作者依托中国科学院内蒙古草原站的大型放牧实验平台, 从种群、个体和器官三个组织水平上研究了该物种对放牧强度的响应。结果表明: 1)在种群水平上, 随着载畜率的增加, 瓣蕊唐松草减少了生殖株丛数或不进行有性生殖生长。该实验条件下, 载畜率每hm ² 7.5只羊(夏季)是瓣蕊唐松草不再进行生殖生长的阈值; 2)在个体水平上, 随着载畜率的增加, 瓣蕊唐松草降低了株高和个体生物量, 减少了生殖枝、花朵和种子等生殖器官的数量。随着载畜率的增加, 瓣蕊唐松草生殖分配的调节从依赖于植株个体大小向不依赖于植株个体大小转变。3)在器官水平上, 随着载畜率的增加, 瓣蕊唐松草减少了生殖枝的花朵负荷, 提高了单粒质量。籽粒数量和籽粒质量之间的权衡是瓣蕊唐松草应对放牧干扰的重要机制。     

内蒙古和青藏高原草原植物叶片与根系氮利用效率空间格局及影响因素

氮利用效率是植物的关键功能性状, 同时紧密关联生态系统功能, 但是目前对氮利用效率的区域格局及影响因素仍然不清楚。该研究分析了内蒙古和青藏高原草原82个调查地点、139种植物叶片和根系的氮利用效率及其与环境因素、植物功能群之间的关系, 实验结果显示: 1)草甸草原植物叶片的氮利用效率为53 g·g ^-1, 显著大于高寒草甸(46 g·g ^-1)、荒漠草原(41 g·g ^-1)和典型草原(39 g·g ^-1)。高寒草甸根系氮利用效率为108 g·g ^-1, 显著高于其他生态系统。2)叶片氮利用效率比根系对温度更加敏感, 但随着干旱指数的增加, 两者均表现出显著的降低趋势。3)杂类草叶片和根系氮利用效率低于莎草科和禾本科植物, 豆科植物叶片和根系氮利用效率分别比非豆科植物低48%和60%。4)植物氮利用效率与土壤氮含量之间没有显著关系。总体上, 内蒙古和青藏高原草原植物叶片和根系氮利用效率的空间格局存在差异, 主要影响因素为植物功能群和干旱指数。本研究系统揭示内蒙古和青藏高原草原植物氮利用效率的空间格局及关键驱动因子, 有助于在全球变化背景下了解我国草地生产力维持机制, 同时为草原生态系统管理提供科学依据。     

Effects of enclosure on carbon density of plant-soil system in typical steppe and desert steppe in Nei Mongol,China

草地生态系统是巨大的碳库, 在全球碳循环中起着重要的作用。该研究以内蒙古中温带草地区典型草原和荒漠草原为研究对象, 测定了两种草原类型围封与放牧后地上生物量碳密度、地下生物量碳密度和土壤碳密度, 探讨围封对两种草原类型植被-土壤系统碳密度的影响。结果表明: (1)围封显著地增加了典型草原地上和地下生物量的碳密度, 对荒漠草原地上生物量碳密度增加影响显著, 对地下生物量碳密度增加影响不显著; (2)围封显著地增加了典型草原土壤碳密度, 使荒漠草原土壤碳密度有增加的趋势, 但影响不显著; (3)典型草原围封样地地下生物量和土壤碳密度的垂直分布显著高于放牧样地, 而荒漠草原围封样地地下生物量和土壤碳密度的垂直分布与放牧样地的差异不显著; (4)围封分别提高了典型草原和荒漠草原植被-土壤系统碳密度的2.2倍和1.6倍, 典型草原和荒漠草原分别有超过65%和89%的碳储存在土壤中, 两种草原类型的地下生物量碳库均占总生物量碳库的90%以上。研究结果表明围封能够有效地增加草原生态系统的碳储量。     

不同载畜率下瓣蕊唐松草的生长和繁殖对策

放牧是内蒙古草原最主要的利用方式, 而草原植物在不同放牧压力下的生长和繁殖策略是它们与有蹄类动物长期协同进化的结果。为了了解瓣蕊唐松草(Thalictrum petaloideum)的生长和繁殖策略如何响应载畜率的变化, 作者依托中国科学院内蒙古草原站的大型放牧实验平台, 从种群、个体和器官三个组织水平上研究了该物种对放牧强度的响应。结果表明: 1)在种群水平上, 随着载畜率的增加, 瓣蕊唐松草减少了生殖株丛数或不进行有性生殖生长。该实验条件下, 载畜率每hm ² 7.5只羊(夏季)是瓣蕊唐松草不再进行生殖生长的阈值; 2)在个体水平上, 随着载畜率的增加, 瓣蕊唐松草降低了株高和个体生物量, 减少了生殖枝、花朵和种子等生殖器官的数量。随着载畜率的增加, 瓣蕊唐松草生殖分配的调节从依赖于植株个体大小向不依赖于植株个体大小转变。3)在器官水平上, 随着载畜率的增加, 瓣蕊唐松草减少了生殖枝的花朵负荷, 提高了单粒质量。籽粒数量和籽粒质量之间的权衡是瓣蕊唐松草应对放牧干扰的重要机制。     

小叶锦鸡儿灌丛化对典型草原群落结构与生态系统功能的影响

草原灌丛化是全球干旱半干旱地区面临的重要生态问题。灌丛化对草原生态系统结构与功能的影响较为复杂, 有待于在更广泛的区域开展研究。该研究在内蒙古锡林郭勒典型草原选择轻度、中度和重度灌丛化草地, 通过群落调查, 结合植物功能性状和土壤理化性质观测, 研究了小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛化对草原群落结构(物种多样性、功能多样性和功能群组成)和生态系统功能(初级生产力、植被和土壤养分库)的影响。结果表明: 1)不同程度灌丛化草地的物种丰富度、功能性状多样性和群落加权性状平均值差异显著, 其中, 中度灌丛化草地的物种多样性和功能多样性较高, 表明一定程度的灌丛化有利于生物多样性维持。2)重度灌丛化草地的地上净初级生产力(ANPP)显著高于轻度和中度灌丛化草地, 其原因主要是随着灌丛化程度加剧, 群落内一/二年生草本植物显著增加, 而多年生禾草和多年生杂类草显著减少。三个灌丛化草地的植被叶片和土壤碳、氮库差异均不显著。3)灌丛化对草原生态系统功能包括ANPP、植被和土壤养分库均没有直接的影响, 而是通过影响功能群组成、土壤理化性质和功能多样性, 间接地影响生态系统功能; 灌丛化导致功能群发生替代和土壤旱碱化是最重要的生物和非生物因素。     

氮添加对荒漠草原植物群落组成与微生物生物量生态化学计量特征的影响

大气氮(N)沉降增加加速了土壤N循环, 引起微生物生物量碳(C):N:磷(P)生态化学计量关系失衡、植物种丧失和生态系统服务功能降低等问题。开展N添加下植物群落组成与微生物生物量生态化学计量特征关系的研究, 可为深入了解N沉降增加引起植物多样性降低的机理提供新思路。该文以宁夏荒漠草原为研究对象, 探讨了N添加下植物生物量和群落多样性的变化趋势, 分析了微生物生物量C:N:P生态化学计量特征独立及其与其他土壤因子共同对植物群落组成的影响。结果表明: N添加下猪毛菜(Salsola collina)生物量呈显著增加趋势, 牛枝子(Lespedeza potaninii)生物量呈逐渐降低趋势, 其他植物种生物量亦呈降低趋势但未达到显著水平; 沿N添加梯度, Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Patrick丰富度指数均呈先略有增加后逐渐降低的趋势; N添加提高了微生物生物量N含量和N:P, 降低了微生物生物量C:N; 植物群落组成与微生物生物量N含量、微生物生物量C:N、微生物生物量N:P、土壤NO₃ ^--N浓度、土壤NH₄ ⁺-N浓度以及土壤全P含量有较强的相关关系; 微生物生物量C:N:P生态化学计量特征对植物种群生物量和群落多样性变化的独立解释力较弱, 但却与其他土壤因子共同解释了较大变差, 意味着N添加下微生物生物量C:N:P生态化学计量特征对植物群落组成的影响与其他土壤因子高度相关。     

Traits related to carbon sequestration of common plant species in a Stipa grandis steppe in Nei Mongol under different land-uses

为了探究植物与固碳相关属性在不同功能群、器官和物种间的差异, 以及这些属性对不同土地利用方式的响应, 2012年8月对内蒙古大针茅草原的4个样地(长期无干扰样地、长期自由放牧样地、4年围封样地和4年围封割草样地)进行了群落调查, 并采集样地中的常见植物, 测定了与植物固碳相关的属性, 包括全碳含量、全氮含量、碳氮比、纤维素含量、木质素含量和酸性洗涤纤维含量等。以常见植物为对象, 在功能群水平研究了各土地利用方式下全碳含量、全氮含量和碳氮比的差异; 针对各样地的共有种——糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、大针茅(Stipa grandis)、冷蒿(Artemisia frigida)、羊草(Leymus chinensis)和猪毛菜(Salsola collina), 从物种和器官水平分析了不同土地利用方式下植物的固碳相关属性。结果表明: 大针茅草原植物不同功能群、物种和器官间的固碳相关属性存在极显著差异, 不同土地利用方式下大针茅草原不同功能型、物种和器官的固碳相关属性有显著差异。与其他利用方式相比, 4年围封割草对植物与固碳相关属性的影响最为明显, 功能群、器官和物种水平的植物氮含量均有下降。糙隐子草和猪毛菜的这些属性对长期自由放牧的响应敏感, 且方向相反。     

Phenotypic plasticity and genetic differentiation of quantitative traits in genotypes of Leymus chinensis

Aims Adaptation mechanisms of plants to environment can be classified as genetic differentiation and phenotypic plasticity (environmental modification). The strategy and mechanism of plant adaptation is a hot topic in the field of evolutionary ecology. Leymus chinensis is one of constructive species in the Nei Mongol grassland. Particularly, Leymus chinensis is a rhizomatous and clonally reproductive grass, a genotype that can play an important role in the community. In this study, we aimed to (1) investigate the phenotypic plasticity of L. chinensis under different conditions, and (2) test the genetic differentiation and reaction norms (the relationship between the environment and the phenotype of an individual or a group of individuals) under four environmental conditions among different genotypes of L. chinensis. Methods Ten genotypes of L. chinensis were randomly selected. Under the control condition, we studied the effects of genotype, defoliation, drought and their interactions on 11 quantitative traits of growth (8 traits including photochemical efficiency of photosystem II, maximum net photosynthetic rate, transpiration rate, specific leaf area, relative growth rate, the number of tillers increased, aboveground and underground biomass growth), defense (total phenol concentration of leaf) and tolerance (non-structural carbohydrate content of root, root/shoot ratio) of L. chinensis. We studied the phenotypic plasticity, genetic differentiation and reaction norms mainly through tested the effect of environment and genotype on these traits. Important findings First, all 11 traits showed obvious phenotypic plasticity (i.e., significant effect of drought, defoliation and their interactions). The expression of 10 genotypes of L. chinensis was divergent under different environmental conditions. Interactions of genotype and environment significantly affected the maximum net photosynthetic rate, transpiration rate, specific leaf area, relative growth rate, total phenolic concentration of leaf, and total non-structural carbohydrate content of root. This indicated that the phenotypic plasticity of these five traits exhibited genetic differentiation. Second, the increase of number of tillers, belowground biomass and non-structural carbohydrate content of root did not show genetic differentiation under the same condition. The other eight traits showed significantly genetic differentiation, and the heritabilities (H²) of six traits related to growth were higher than 0.5. The leaf total phenol concentration and root/shoot ratio showed genetically differentiation only under the drought and defoliation condition, with the heritabilities being 0.145 and 0.201, respectively. These results explained why L. chinensis widely distributed in the Nei Mongol grassland, and provided genetic and environmental basis for related application and species conservation in this grassland ecosystem.     

Effect of altered litter input and nitrogen addition on ecosystem aboveground primary productivity and plant functional group composition in a semiarid grassland

不同的草原利用方式(围封、放牧和割草等)随着大气氮沉降的不断加剧, 改变了凋落物输入量。凋落物作为连接地上-地下碳循环过程的关键环节, 对草原生态系统生产力和碳循环过程影响显著。氮是草原生产力的主要限制因子, 凋落物输入量的变化对草原生态系统结构和功能的影响仍缺乏长期实验证据支持。该研究在内蒙古半干旱典型草原建立一个凋落物输入变化和氮添加控制实验平台, 通过连续6年对群落生产力和功能群组成的监测, 研究了凋落物添加与去除和氮添加对半干旱草原群落生产力和功能群组成的影响。研究发现: 1)凋落物输入量增加和氮添加均显著提高了群落生产力, 在对照和氮添加处理下, 凋落物去除处理导致生产力分别降低了8.4%和7.6%, 而凋落物添加处理使生产力分别提高了10.7%和6.3%; 2)不同植物功能群对凋落物输入变化和氮添加的响应存在差异, 导致群落功能群结构发生变化。随着凋落物输入量增加和氮添加, 群落优势功能群多年生禾草(包括多年生丛生禾草和多年生根茎禾草)的生物量显著提高, 对群落生产力的贡献增加, 在群落中的优势地位增强; 而另一优势功能群多年生杂类草生物量对凋落物和氮添加处理均无显著响应, 进而导致在氮添加处理下其对群落生物量的贡献比例显著降低; 3)凋落物输入主要改善土壤水分状况, 而氮添加则主要通过提高土壤养分含量, 促进群落生产力, 并通过影响主要功能群生物量, 导致群落结构发生变化。以上结果表明, 适当的草原管理方式如围封禁牧和降低放牧强度等都能通过增加凋落物的输入来提高草原生产力, 维持生态系统稳定性。而适量的氮等养分添加管理也有助于提高草原生产力, 促进其恢复。     

Effects of nitrogen addition on photosynthetic characteristics of Leymus chinensis in the temperate grassland of Nei Mongol,China

Aims The increased atmospheric nitrogen (N) deposition due to human activity and climate change greatly causes grassland ecosystems shifting from being naturally N-limited to N-eutrophic or N-saturated, and further affecting the growth of grass species. The aims of this study are: 1) to evaluate the effects of different N addition levels on morphology and photosynthetic characteristics of Leymus chinensis; 2) to determine the critical N level to facilitate L. chinensis growth.
Methods We conducted a different N addition levels experiment in dominant species in the temperate steppe of Nei Mongol. The aboveground biomass, morphological and leaf physiological traits, pigment contents, chlorophyll a fluorescence parameters and biochemical parameters of L. chinensis were investigated.
Important findings Our results showed that aboveground biomass first increased and then decreased with the increased N, having the highest values at the 10 g N·m^-2·a^?1 treatment, but the 25 g N·m^-2·a^?1 still significantly increased the aboveground biomass relative to 0 g N·m^-2·a^?1. Leymus chinensis accommodate low N situation through allocating less N to carboxylation system and decreasing leaf mass per area (LMA) in order to get more light energy. Moderate N addition captured more light energy through increasing total chlorophyll (Chl) contents and decreasing the ratio of Chl a/b. Moderate N addition increased LMA, carboxylation efficiency, maximum carboxylation rate (V_cmax), maximum electron transport rate (J_max) and decreased J_max/V_cmax, thus allocating more N to carboxylation system to enhance carboxylation capability. Moreover, the photochemical activity of PSII was increased through higher effective quantum yield of PSII photochemistry, electron transport rate and photochemical quenching coefficient. Excessive N addition had negative effects on physiological variables of L. chinensis due to lower carboxylation capability and photochemical activity of PSII, further leading to decreased net photosynthetic rate, whereas increased non-photochemical quenching coefficient and carotenoids played the role in the dissipation of excess excitation energy. Overall, moderate N addition facilitated the photosynthetic characteristics of dominant species, but excessive N addition inhibited photosynthetic characteristics. The most appropriate N addition for the growth of L. chinensis was 5-10 g N·m^-2·a^?1 in the temperate steppe of Nei Mongol, China.