养分添加对天山高寒草地植物多样性和地上生物量的影响

为揭示高寒草地物种多样性和地上生物量以及二者之间关系对养分添加的响应模式,该研究以天山高寒草地为对象,通过两年的多重养分添加实验,研究氮(N)、磷(P)、钾(K)3种养分单独和组合添加对天山高寒草地群落物种多样性和地上生物量的影响。结果表明:(1)养分添加使当地植物物种多样性不同程度地减少,其中以N+P、N+K、N+P+K添加的效应最为显著,多重养分添加导致的土壤生态位维度降低是当地物种丧失的重要原因。(2)养分添加能显著提高群落地上生物量,其中N为第一限制养分,解除N限制后P和K成为限制养分, N+P+K复合添加对地上生物量的提高最为显著。(3)养分添加两年后,地上生物量与物种丰富度之间无显著回归关系且地上生物量增加主要是由于禾草类生物量增加导致,说明地上生物量主要由少数优势种决定而非群落物种数。     

氮添加对内蒙古退化草地植物群落多样性和生物量的影响

人为干扰及气候变化导致内蒙古草地发生了大面积退化, 氮添加是促进退化草地生产力恢复的一项重要措施。该文基于2011年建立的氮肥添加实验平台, 以3个不同退化程度(中度退化、重度退化、极度退化)草地群落为研究对象, 设置对照、10、20、30、40和50 g·m ^-2·a ^-1 6种氮添加处理, 分析氮添加对退化草地恢复过程中群落多样性和生物量的影响。结果表明: (1)氮添加降低了中度、重度退化草地恢复进程中物种丰富度和多样性, 对极度退化草地恢复进程中物种丰富度和多样性无明显影响。(2)氮添加促进了3个不同退化程度草地恢复进程中群落地上生物量的增加。(3)氮添加显著增加了群落中禾草的地上生物量及其在群落地上生物量中所占的比例, 降低了杂类草在群落地上生物量中的比例, 但对杂类草地上生物量无显著影响。研究表明在利用施肥措施治理退化草地的过程中, 需要充分考虑草地退化程度以及由氮添加引起的群落多样性和生产力的改变对草地生态系统功能的影响。     

高寒草地植物物种多样性与功能多样性的关系

物种多样性与功能多样性的关系是生态学当前研究的热点问题之一,不同区域典型生态系统物种多样性和功能多样性的关系研究有利于生物多样性保护理论的全面发展。以青藏高原地区的主要草地生态系统—高寒草甸和高寒草原为研究对象,采用4个物种多样性指数(Patrick丰富度指数、Shannon-Weiner多样性指数、Pielou均匀度指数和Simpson优势度指数)和9个功能多样性指数(FAD功能性状距离指数、MFAD功能性状平均距离指数、基于样地的FDp和基于群落的FDc功能树状图指数、FRic功能体积指数、FEve功能均匀度指数、Rao功能离散度常二次熵指数、FDiv功能离散指数、FDis功能分散指数),分析了高寒草地植物物种多样性、功能多样性关系及其与初级生产力的关系,以期阐明3个科学问题:不同草地类型的高寒草地生态系统植物物种多样性和功能多样性有何差异?高寒草地生态系统的植物物种多样性和功能多样性有何关系?高寒草地生态系统物种多样性、功能多样性对生态系统功能的影响有何异同?研究结果表明:(1)与高寒草原相比,高寒草甸具有更高的物种多样性、功能丰富度和功能离散度;(2)高寒草甸中,Patrick丰富度与功能丰富度指数(FAD、MFAD、FDp、FDc)和功能离散度指数(FDiv)的具有较强的相关性,最优拟合方程分别为幂函数和二次多项式函数;(3)高寒草原中,Patrick丰富度与功能丰富度指数(FAD、MFAD、FDp、FDc、FRic)、Shannon指数和Simpson指数与FEve指数的相关性较强,最优拟合方程为二次多项式函数,Pielou指数与FEve指数的相关性较强,最优拟合方程为指数函数;(4)高寒草甸的初级生产力分别与物种丰富度指数Patrick、功能离散指数FDiv具有较强的相关性;而高寒草原的初级生产力与4个物种多样性指数间均具有较强的相关性,与功能离散指数FDiv具有较强的相关性,最佳拟合方程均为二次多项式函数。研究的总体结论为:物种多样性、功能多样性、二者之间的关系以及二者与生态系统服务功能(以初级生产力为例)之间的关系在高寒草甸和高寒草原群落中表现迥异,因此在研究青藏高原高寒草地的生态功能时,不能仅仅测度传统的物种多样性,还应测度与物种多样性、生态功能密切相关的功能多样性。     

西藏那曲地区高寒草地地下生物量

矮嵩草草甸、藏北嵩草草甸及紫花针茅草原是那曲地区主要的草地类型,通过对其地下生物量的分布特征、地下/地上生物量的关系及其对土壤环境影响的研究发现:(1)这三类植物群落的地下生物量表现为总的T字形趋势下的锯齿状分布,主要分布在0~10cm的草皮层中,而且不同的退化草地,其地下的生物量也不同;(2)各群落的地下生物量和地上生物量密切相关,相关性均呈显著正相关。地下/地上生物量的比值越大,地上生物量就越高。地上生物量的变化不大,而地下生物量变化显著;(3)在高山草甸土中,矮嵩草草甸的地下生物量和土壤的有机质,全N,碱解N的含量及土壤的容重呈相关关系,而与其他的土壤因子相关性不显著。(4)各群落的地下生物量的垂直分布特征及与土壤环境的关系是植物长期适宜高寒生境条件的结果和反映。     

青藏高原多年冻土区高寒植被物种多样性和地上生物量

基于样方调查统计了青藏高原多年冻土区高寒草地生态系统植物的科属组成,计算了多样性指数和均匀度指数,探讨了多年冻土退化对高寒草地物种多样性的影响。结果表明:多年冻土退化过程中物种组成在属和物种丰富度上呈现降低趋势,湿、中生植物逐渐被旱中生和旱生植物替代;青藏高原多年冻土退化会导致高寒草地生态系统的物种多样性和初级生产力的降低,影响高寒草地生态系统的稳定性;物种多样性与初级生产力具有密切的抛物线型关系。     

气候因子通过土壤微生物生物量氮促进青藏高原高寒草地地上生态系统功能

近年来, 在人类活动和气候变化的影响下, 物种多样性丧失趋势不断加剧, 对生态系统功能带来严重后果。目前, 关于生态系统功能的研究, 忽略了土壤和微生物碳氮养分循环过程对地上生态系统功能(AEF)的重要驱动作用, 而土壤碳氮要素和微生物的任何变化都有可能改变地下群落对生态系统功能的维持作用。该研究旨在探究高寒草地AEF的主要控制因子, 以及其关键要素对AEF的作用机理。2015年7-8月, 对青藏高原地区115个样点进行了草地群落和土壤属性等要素样带调查; 综合植物地上生物量, 叶片碳、氮和磷含量等参数计算AEF值, 分析地下土壤有机碳含量、全氮含量、生物量等关键要素对AEF值的影响。结合取样点年降水量和年平均气温, 深入探讨影响AEF的主要控制因子和作用机理。结果表明降水对AEF有较大影响, 而气温影响相对较低。年降水量、土壤微生物生物量碳含量和干旱指数对AEF值的相对重要性贡献较高(重要值分别为21.1%、10.9%和10.1%), 控制青藏高原高寒草地AEF值的关键是土壤因子。在气候因子对土壤养分和微生物的作用下, 土壤微生物生物量氮含量在调控高寒草地AEF值方面发挥重要作用。     

黄土区不同恢复年限草地群落生物量及根冠比对氮添加的响应

大气氮沉降增加作为全球变化的主要环境问题之一,已引发人们的广泛关注,持续的氮沉降对草地生态系统的组成、结构和功能产生重要影响。为深入了解草地恢复进程中群落生物量和根冠比对氮沉降的响应,以黄土区3个不同恢复年限（初期12a、中期28a和后期37a）的天然草地为研究对象,通过设置6个氮添加水平,CK （0）、N1（2.34g m^-2a^-1）、N2（4.67g m^-2a^-1）、N3（9.34g m^-2a^-1）、N4（18.68g m^-2a^-1）、N5（37.35g m^-2a^-1）来测定草地群落地上生物量、地下生物量和总生物量,并计算根冠比和氮响应效率（NRE）。结果表明：（1）地上生物量在恢复中期最大,随氮添加梯度增加,地上生物量在恢复初期和恢复后期呈不显著上升趋势,对氮添加表现为非线性的正响应（ΔNRE>0）,在恢复中期呈不显著下降趋势,对氮添加表现为非线性的负响应（ΔNRE<0）。（2）群落地下生物量对氮添加无显著响应,总生物量只有在恢复后期的N4添加水平下,与对照存在显著差异。（3）根冠比在恢复初期时,N3添加水平下显著高于对照和其他氮添加水平,其余恢复年限对氮添加无显著响应。综上所述,通过分析比较黄土区不同恢复年限草地群落的地上、地下及总生物量和根冠比对氮添加的响应。建议对该区域开展试点实验,实行适应性草地管理,如进行两年一次刈割或轻度放牧（2只羊/hm²）,来探寻更科学有效的管理措施,使草地实现系统性恢复,进而满足生态系统容量和社会需求的变化。     

短期氮添加对祁连山亚高山草地生产力及植物多样性的影响

全球氮沉降速率的急剧增加已显著地改变了生态系统的生产力及稳定性,特别是在受N限制较严重的亚高山草地生态系统。虽然氮沉降增加对草地生产力和植物多样性影响的研究报道已经很多,但是氮素沉降的生态系效应因气候区、草地系统类型、加氮水平、氮肥类型和试验时间长短等不同而差别很大。为了评估氮沉降增加对亚高山草地植物物种多样性和生产力的影响,通过在祁连山中部亚高山草地设置不同氮添加水平（0、2、5、10、15、25 g N m^-2 a^-1和50 g N m^-2 a^-1）的短期氮沉降增加模拟试验,探讨了生产力和物种多样性对不同水平氮添加的响应。结果显示：氮添加增加了禾本科（垂穗披碱草、赖草和草地早熟禾）和莎草科（矮嵩草）的地上生产力及其在群落生产力中所占的比例,主要表现在氮添加增加了禾本科和莎草科的株高和株数,降低了其他科（鹅绒委陵菜和葛缕子）的株高和株数;与生产力相比,植物多样性对氮添加的响应较慢,总体随着氮添加量的增加呈下降趋势但未达到显著水平;植物多样性与生产力呈显著的负相关关系。研究结果表明氮添加有助于提高禾本科和莎草科的生产力,进而提高群落生产力,但其他科的植物会被逐渐替代,导致群落植物物种多样性降低。研究结果可为我国亚高山草地的持续性管理提供一定的理论基础。     

喷灌对藏北高寒草地生产力和物种多样性的影响

通过3a(2008—2010年)的藏北高寒草地喷灌试验,研究了不同喷灌量对草地群落生产力和物种多样性的影响。结果表明,丰水年灌溉对藏北高寒草地的影响较小;而在相对干旱年份灌溉对高寒草地生产力和物种多样性影响显著。喷灌条件下高寒草地生物量显著提高,最高增幅出现在高水(GS)样地中,达到116%。喷灌明显促进物种重要值提高,其中灌木和阔叶杂草比例增加趋势更为明显。不同喷灌条件下优势物种相对重要值均有不同程度的降低,高水处理降低幅度最大。物种多样性方面,喷灌措施能够明显促进高寒草地Simpson指数和Shannon-weiner指数增加(P0.05),E.Pielou均匀度指数无显著变化(P0.05)。Shannon-weiner指数与生物量之间存在显著正相关关系(P0.05)。未来降水增多的气候条件可以减少干旱对高寒草地带来的负面影响,有利于提高草地生产力和维持草地物种多样性,促进高寒草地畜牧业健康发展。     

青海省高寒灌丛物种多样性、生物量及其关系

物种多样性对生态系统功能的作用是生物多样性研究的核心领域之一,生物量水平是生态系统功能的重要表现形式,而植物群落的生物量则是生态系统生物量的基础,因此研究植物群落物种多样性与生物量的关系,对于阐明植物多样性对生态系统功能的作用具有重要意义。通过对青海省高寒灌丛生物量、灌丛物种多样性特征以及与生物量的关系调查,得到以下结果:(1)被调查灌木植被群落的40个样地中共出现了207种植物(其中灌木植物18种,草本植物189种),隶属于130属,43科,灌木以蔷薇科、杜鹃花科为主,而草本以菊科、龙胆科、毛茛科和莎草科占优势。(2)群落多样性指数偏低,植物群落结构简单,物种组成稀少。小叶金露梅群落的多样性指数最大,金露梅群落、细枝绣线菊群落和鲜卑花群落次之,百里香杜鹃+头花杜鹃群落最低。(3)不同高寒灌丛类型生物量介于1893.03—7585.41 g/m~2之间,平均值为3775.9 g/m2,其中灌木生物量占灌丛总生物量的73.55%,草本为26.45%。(4)总生物量随草本物种多样性和群落物种多样性的增加而减小;草本生物量随其物种多样性的增加而减小,而灌木物种多样性与其生物量并无显著相关性。     

Precipitation and nitrogen addition enhance biomass allocation to aboveground in an alpine steppe

There are two important allocation hypotheses in plant biomass allocation: allometric and isometric. We tested these two hypotheses in an alpine steppe using plant biomass allocation under nitrogen (N) addition and precipitation (Precip) changes at a community level. An in situ field manipulation experiment was conducted to examine the two hypotheses and the responses of the biomass to N addition (10 g N m^?2 y^?1) and altered Precip (±50% precipitation) in an alpine steppe on the Qinghai–Tibetan Plateau from 2013 to 2016. We found that the plant community biomass differed in its response to N addition and reduced Precip such that N addition significantly increased aboveground biomass (AGB), while reduced Precip significantly decreased AGB from 2014 to 2016. Moreover, reduced Precip enhanced deep soil belowground biomass (BGB). In the natural alpine steppe, the allocation between AGB and BGB was consistent with the isometric hypotheses. In contrast, N addition or altered Precip enhanced biomass allocation to aboveground, thus leading to allometric growth. More importantly, reduced Precip enhanced biomass allocation into deep soil. Our study provides insight into the responses of alpine steppes to global climate change by linking AGB and BGB allocation.     

Effects of nitrogen addition on the plant diversity and biomass of degraded grasslands of Nei Mongol,China

人为干扰及气候变化导致内蒙古草地发生了大面积退化, 氮添加是促进退化草地生产力恢复的一项重要措施。该文基于2011年建立的氮肥添加实验平台, 以3个不同退化程度(中度退化、重度退化、极度退化)草地群落为研究对象, 设置对照、10、20、30、40和50 g·m ^-2·a ^-1 6种氮添加处理, 分析氮添加对退化草地恢复过程中群落多样性和生物量的影响。结果表明: (1)氮添加降低了中度、重度退化草地恢复进程中物种丰富度和多样性, 对极度退化草地恢复进程中物种丰富度和多样性无明显影响。(2)氮添加促进了3个不同退化程度草地恢复进程中群落地上生物量的增加。(3)氮添加显著增加了群落中禾草的地上生物量及其在群落地上生物量中所占的比例, 降低了杂类草在群落地上生物量中的比例, 但对杂类草地上生物量无显著影响。研究表明在利用施肥措施治理退化草地的过程中, 需要充分考虑草地退化程度以及由氮添加引起的群落多样性和生产力的改变对草地生态系统功能的影响。     

Influence of nitrogen addition on the primary production in Nei Mongol degraded grassland

Aims Irrational utilization and global climate change have caused degradation of grassland ecosystems in northern China with low soil fertility, decreased vegetation coverage and productivity. Nitrogen addition has been suggested an effective way to enhance restoration of those degraded grasslands. In this study, we selected a typical steppe with three different degrading levels, including lightly, moderately and heavily degraded communities, in East Ujimqin, Nei Mongol. Our objectives of this study are to examine if and how nitrogen (N) addition can enhance restoration of those degraded grasslands Methods Treatments with four levels of N addition (0, 5.0, 10.0 and 20.0 g N·m^-2·a^-1) were conducted to each of the three degraded communities from 2014 to 2015. Nitrogen was applied as urea in June of both years. Aboveground biomass was collected at the species level in 1 m × 1 m plot in August each year, all species biomass was summed as net primary production, and biomass of plant functional groups was calculated by perennial rhizome grasses, perennial bunchgrasses, perennial forbs, shrubs and semi-shrubs, annuals and biennials.Important findings Our results showed that the high (20.0 g N·m^-2·a^-1) and medium level N addition (10.0 g N·m^-2·a^-1) significantly increased the aboveground biomass of the slightly degraded community by 53.1% and 51.6% compared with no N addition. N addition had no significant effects on the moderately and heavily degraded communities. N addition with high and medium levels increased aboveground biomass of perennial rhizome grasses by 45.1% and 47.7%, but decreased that of perennial forbs by 37.4% and 42.1% at the slightly degraded community. Our results indicated that N addition could increase the growth of perennial rhizome grasses, and the growth of perennial forbs was suppressed consequently. Our results suggest that even the application of N fertilizers can only be helpful to restoration of those slightly degraded grasslands. Besides, N addition had no significant effects on species richness in different degraded communities indicating the fact that the study may not last long enough. For the purpose of increasing aboveground biomass of degraded grassland, we should not only consider the type and quantity of fertilization, but also the attribute of the degraded communities. In addition, the response of degraded community in biomass may strongly be impacted by degrading level of studied grassland.     

氮素添加对内蒙古退化草原生产力的短期影响

不合理的土地利用方式以及气候变化导致我国草原生态系统普遍退化, 主要表现在土壤养分降低、植被覆盖度减少、生产力下降。外源氮素添加是促进退化草原尽快恢复的一项重要措施, 尤其是对那些退化较为严重的草原。该研究选取内蒙古东乌珠穆沁旗不同退化程度(轻度、中度和重度)的草原群落, 于2014-2015年开展连续两年的氮素添加实验, 设置对照(不添加)、低水平(5.0 g N·m^-2·a^-1)、中水平(10.0 g N·m^-2·a^-1)和高水平(20.0 g N·m^-2·a^-1) 4种氮素添加处理, 探讨退化草原群落生产力在恢复过程中对不同水平氮素添加的响应。结果显示: (1)高、中水平氮素添加显著提高了轻度退化群落的地上生物量, 分别比对照增加了53.1%、51.6%, 氮素各水平添加对中度、重度群落地上生物量无显著影响; (2)高、中水平氮素添加显著提高了轻度退化群落中多年生根茎型禾草地上生物量, 分别比对照增加了45.1%、47.7%, 而多年生杂类草地上生物量分别比对照减少了37.4%、42.1%, 但中度和重度退化群落各功能群生物量的响应不显著; (3)三种水平氮素添加对轻、中、重度退化群落物种丰富度在试验期间均没有显著影响。研究结果表明氮素添加有助于提高轻度退化草原中多年生根茎型禾草的生物量, 进而提高群落的生物量, 但多年生杂类草会被逐渐替代, 导致生物量降低, 可见施氮对草原恢复的影响取决于草原退化 程度。     

Functional dominance rather than taxonomic diversity and functional diversity mainly affects community aboveground biomass in the Inner Mongolia grassland

The relationship between biodiversity and productivity has been a hot topic in ecology. However, the relative importance of taxonomic diversity and functional characteristics (including functional dominance and functional diversity) in maintaining community productivity and the underlying mechanisms (including selection and complementarity effects) of the relationship between diversity and community productivity have been widely controversial. In this study, 194 sites were surveyed in five grassland types along a precipitation gradient in the Inner Mongolia grassland of China. The relationships between taxonomic diversity (species richness and the Shannon–Weaver index), functional dominance (the community‐weighted mean of four plant traits), functional diversity (Rao's quadratic entropy), and community aboveground biomass were analyzed. The results showed that (1) taxonomic diversity, functional dominance, functional diversity, and community aboveground biomass all increased from low to high precipitation grassland types; (2) there were significant positive linear relationships between taxonomic diversity, functional dominance, functional diversity, and community aboveground biomass; (3) the effect of functional characteristics on community aboveground biomass is greater than that of taxonomic diversity; and (4) community aboveground biomass depends on the community‐weighted mean plant height, which explained 57.1% of the variation in the community aboveground biomass. Our results suggested that functional dominance rather than taxonomic diversity and functional diversity mainly determines community productivity and that the selection effect plays a dominant role in maintaining the relationship between biodiversity and community productivity in the Inner Mongolia grassland.