氮磷添加对内蒙古温带典型草原地下生物量的影响

氮添加促进地上生物量具有饱和效应以及氮饱和后的磷限制是当前生态学研究的热点问题,但地下生物量是否具有类似现象,以及氮磷同时添加是否能够缓解饱和状态时地下生物量的养分限制研究相对缺乏.本研究基于内蒙古温带典型草原4年控制试验分析了氮(10和40 g N·m-2·a-1)、磷(5和10 g P·m-2·a-1)添加对地下生...     

氮磷添加对内蒙古温带典型草原净氮矿化的影响

氮素矿化是决定土壤供氮能力的重要生态过程, 也是目前国内外土壤氮循环研究的重点。养分添加在调节土壤的氮转化方面起着重要的作用。该文以内蒙古锡林河流域温带典型草原为研究对象, 通过不同水平的氮(N)和磷(P)养分添加实验, 利用树脂芯原位培养法分析研究不同水平施氮、施磷对生长季草地土壤氮矿化的影响。结果表明: 高氮处理对草地土壤硝态氮(NO₃^- -N)、铵态氮(NH₄⁺ -N)及无机氮都有明显的影响, 其中25 g N·m^?2·a^?1和10 g N·m^?2·a^?1高氮处理显著提高了无机氮含量, 25 g N·m^?2·a^?1高氮处理显著增加土壤的NO₃^- -N及NH₄⁺ -N含量。与施氮相比, 施磷处理对土壤NO₃^--N、NH₄⁺ -N及无机氮的影响较为有限, 只有12.5 g P₂O₅·m^-2·a^-1的磷处理显著促进了NO₃^- -N及无机氮含量。高氮处理对草地土壤氮素转化有明显影响, 其中25 g N·m^?2·a^?1高氮处理对净硝化速率、氨化速率及矿化速率都有显著的促进作用, 说明高梯度的施氮处理有利于提高土壤的供氮能力。氮是内蒙古锡林河流域草原生态系统有机氮矿化的限制因子。与施氮相比, 施磷处理对草地土壤氮转化的作用较为有限, 仅有12.5 g P₂O₅·m^-2·a^-1 + 2 g N·m^?2·a^?1处理显著促进生长季中期的净氨化速率。说明施磷对土壤氮转化的影响弱于施氮的影响。养分添加显著提高了草地的地上生物量。 养分添加情景下, 土壤湿度与净矿化速率极显著相关, 表明湿度是影响该区域温带草原土壤氮矿化的主效因素。环境因子(如有机碳含量、土壤全氮及土壤C/N)与不同氮处理下的净矿化速率之间显著相关, 而土壤微生物碳、氮含量与土壤氮矿化均没有显著相关性。     

内蒙古温带草原大针茅叶片光合生理特性对氮添加的响应

大气氮沉降增加生态系统氮有效性,优势种植物对不同水平氮输入的响应影响草原生态系统结构和功能。研究设置4个氮添加水平,分析内蒙古温带草原优势种大针茅（Stipa grandis）光合生理特性对不同梯度氮添加的响应。结果表明：低氮（0-2 g m^-2 a^-1）处理时,大针茅叶片氮含量较低,叶绿素含量和1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶的活性不高,光能利用效率低,导致光系统II出现过剩激发能,光合器官受到抑制,净光合速率相对较低。适量氮添加（5-10 g m^-2 a^-1）提高了大针茅叶片羧化系统和电子传递系统的氮分配,进而提高了1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶的活性以及电子传递速率,净光合速率增大。高氮（25 g m^-2 a^-1）处理时,叶片氮含量较高,但光合氮分配比例下降,降低了光合氮利用效率。大针茅光抑制程度增大,叶绿素含量、1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶的活性下降,不利于生物量积累。研究结果有助于进一步了解全球变化背景下草原生态系统优势种的生理响应机制,并为草原的可持续发展提供一定的理论依据。     

施氮频率和强度对内蒙古温带草原土壤pH及碳、氮、磷含量的影响

以内蒙古温带典型草原为研究对象,通过 9 个氮沉降梯度以及一年 12 次和一年 2 次的施氮频率比对,经过4年的氮沉降模拟,研究不同氮沉降强度和频率对不同土层土壤 pH 及碳、氮、磷含量的影响.结果表明: 随着施氮强度的增加,土壤 pH 及全磷含量逐渐降低,但土壤有效氮和有效磷的含量呈增加趋势,可溶性有机碳(DOC)含量无明显变化规律,而土壤全碳、全氮含量基本保持不变.与更接近于自然氮沉降状况的一年 12 次施氮相比,一年 2 次施氮明显高估了氮沉降在降低土壤 pH和增加有效磷含量上的作用,低估了氮沉降在增加土壤有效氮含量上的作用,其中0～5 cm土层差异显著.     

氮水添加对中国北方草原土壤细菌多样性和群落结构的影响

研究了我国北方典型温带草原土壤细菌多样性和群落结构对氮水添加及环境因素的响应.结果表明:在常规降水条件下,土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)均随氮(N)梯度增加而逐渐降低;在增加降水条件下,MBC和MBN也随N梯度增加而降低,但降水增加削弱了N的抑制效应.在常规降水条件下,土壤细菌丰富度、Shannon多样性和均匀度等α-多样性指数随N梯度没有明显变化;增加降水条件下,各N梯度处理的土壤细菌α-多样性指数都显著高于常规降水条件下相应的N处理梯度.相关分析显示,土壤含水量、硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)与土壤细菌均匀度指数呈显著负相关关系;MBC和MBN与Shannon丰富度指数和均匀度指数呈显著正相关关系.土壤细菌群落非度量多维标度排序(NMDS)显示,在常规降水和增加降水处理下,土壤细菌群落结构均随N梯度增加发生明显改变.冗余分析(RDA)表明,MBC、MBN、p H和NH4+-N是影响土壤细菌群落结构的重要环境因子.     

氮添加对内蒙古温带典型草原生态系统碳交换的影响

生态系统碳交换(NEE)是评估碳循环及平衡的重要指标,由生态系统总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(ER)共同决定。以往研究表明,N添加能显著促进草地生态系统植物的生长进而提高生态系统的生产力,但N添加如何影响生态系统碳交换的结论仍不明确。同时,对于不同剂量的N添加对生态系统碳交换影响有何差异也不清楚。于2012和2013年在内蒙古草原开展N添加控制实验,设置中等剂量(10 g N m~(-2)a~(-1),N10)和高等剂量(40 g N m~(-2)a~(-1),N40)两个N添加处理,并采用生态系统原位观测箱系统监测不同N处理条件下的NEE动态。结果表明:2年中等剂量N添加处理(N10)下GPP较对照分别增加了15.6%和20%,而ER的变化不显著,该处理下NEE较对照显著降低了230%和337%(即固碳能力增强)。与中等剂量N添加处理结果不同,高等剂量N添加处理下GPP和ER均有不显著的降低趋势,同时,尽管该处理下NEE有升高的趋势(即固碳能力降低),但并不显著。土壤水分改善、土壤温度下降以及叶片N浓度增加可能是中等剂量氮添加促进该生态系统固碳能力的重要机制,而土壤酸化和物种组成改变可能是导致高等剂量N添加下生态系统固碳能力低于中等剂量的重要原因。研究结果表明,不同剂量N添加对生态系统生产力与呼吸的作用机制存在差异,导致生态系统固碳能力有着明显区别。     

植被退化对温带典型草原根系-土壤系统碳氮分配的影响

以3种不同退化程度的温带典型草原(大针茅轻度退化、中度退化和重度退化)为研究对象,研究植被退化对温带典型草原土壤及根系碳氮含量及储量的影响。结果显示:(1)植被退化对地下根系碳含量影响不显著(P0.05),而对地下根系氮含量的影响显著(P0.05),中度退化样地根系氮含量显著高于轻度退化和重度退化样地(P0.05)。(2)植被退化对根系碳氮储量影响显著(P0.05),根系碳氮储量随着土层深度增加而减少,总根系碳氮储量随退化程度加剧而降低。(3)土壤有机碳、总碳和总氮含量及储量均受退化程度和采样深度的影响显著(P0.05),其含量随着土壤深度的增加而显著减少,随退化程度加剧而显著降低(P0.05)。(4)土壤是根系-土壤系统碳氮储存的最主要场所,储量占比90%以上。虽然土壤碳氮储量均存在表层聚集现象,但表层储量所占比例在各样地间差异显著(P0.05)。     

内蒙古温带草原区植被盖度变化及其与气象因子的关系

利用1982-1999年内蒙古地区NOAA/AVHRR的NDVI数字遥感影像,对内蒙古温带草原区植被盖度进行了反演,探讨了近20a来温带草原植被盖度的变化情况,并对植被盖度与不同组合方式的降水及气温数据进行了相关分析,探讨了植被盖度与气象因子的关系。结果表明:①近20a来温带草原植被盖度呈上升趋势,占总面积72%的草原植被盖度发生了增长,3种不同草原类型中典型草原盖度上升趋势最为明显;②温带草原生长季平均盖度、逐月盖度与降水成正相关关系,与气温呈负相关关系,其中降水对盖度的影响存在着时滞及累积效应;③3种草原类型植被盖度对气象因子的敏感性不同,荒漠草原植被盖度与气温和降水相关性最强,其次为典型草原与草甸草原。     

氮磷添加对内蒙古温带草原植物功能群氮含量的影响

植物功能群氮含量既是理解氮沉降对生物多样性影响的关键指标,也是生产力过程模型模拟的重要参数,极易受氮素可利用性的影响和磷元素的限制。基于内蒙古温带草原4年氮磷添加试验(N10、N40、P5、P10及其交互,数字代表添加剂量,单位为g m^-2 a^-1),分析氮磷添加对植物群落及三种植物功能群(禾本科、灌木和杂类草)氮含量的影响。结果表明:(1)氮添加显著增加了群落及各功能群的氮含量,同一处理水平下禾本科(N10)和灌木(N10和N40)的氮含量显著高于杂类草,同一功能群不同氮添加剂量间无显著差异;(2)磷添加对群落和三种功能群的氮含量无显著影响;(3)与单独氮添加相比,氮磷同时添加显著增加了群落、禾本科和杂类草氮含量,且高剂量氮磷添加的促进作用更大;(4)与单独氮添加相比,氮磷同时添加显著增加群落和三种功能群磷含量而降低氮磷比,相同处理水平下禾本科和杂类草磷含量增加幅度最大。本研究将为草原生态系统管理和应对全球变化提供科学依据。     

连续氮添加14年对温带典型草原土壤碳氮组分及物理结构的影响

全球氮沉降对生态系统造成了深远的影响,研究长时间氮沉降对草地生态系统土壤理化特征的影响有助于加强生态系统对氮沉降响应的长效机制的理解。通过连续14年长期施加N0（0 g N m^-2 a^-1）、N2（2 g N m^-2 a^-1）、N4（4 g N m^-2 a^-1）、N8（8 g N m^-2 a^-1）、N16（16 g N m^-2 a^-1）、N32（32 g N m^-2 a^-1）六种浓度尿素模拟氮沉降,并将土壤分成0-10、10-20和20-40 cm三个深度土层,研究温带草原生态系统土壤碳氮组分及物理结构对氮添加的响应及其相互关系,结果表明：（1）氮添加显著降低0-10 cm土壤酸碱度及土壤微生物量碳含量,N32相比N0分别下降了27.63%和58.40%（P<0.05）;各土层总有机碳和全氮含量对氮添加处理无显著响应,0-10 cm土层显著高于20-40 cm土层。（2）同一土层深度不同梯度氮添加处理显著增加土壤无机氮离子含量（P<0.05）,0-10 cm土层铵态氮含量N32相比N0增加了88.72%,20-40 cm土层硝态氮含量N32相比N0增加了19.55倍,土壤深度与氮添加对无机氮离子含量影响具有显著的交互效应。（3）同一土壤深度不同梯度氮添加处理土壤粒度分形维数及土壤团聚体差异不显著,相关分析表明土壤碳氮元素含量与土壤结构显著相关。土壤碳氮组分在适宜浓度氮添加的增加趋势说明氮添加在一定程度上可能促进土壤理化性质的改良,氮添加对土壤物理结构的影响还需要进一步的深入研究。     

内蒙古草原大针茅群落地上生物量与降水量的关系

根据中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站在大针茅样地(面积500m×500m,地理坐标43°32′20″～43°32′40″N116°33′00″～116°33′30″E)的地上生物量与气候观测资料,利用SPSS分别进行大针茅群落地上生物量与年降水量、月降水量关键时期(4～6月份与6～8月份)降水量以及1～7月份总降水量的相关分析;对年降水量接近的1982、1983和1989年(分别为283.2mm,289.9mm,287.2mm)的地上生物量进行方差分析;运用积分回归模型模拟了降水的季节分配对群落生物量的影响。结果表明:(1)群落生物量的年际变化与年降水、月降水、关键时期降水(4～6月份和6～8月份)以及1～7月份降水量的变化没有显著的相关性(p>0.1);(2)在年降水量接近的年份,群落的地上生物量之间存在显著差异。降水量季节分配的变化对地上生物量的影响还有待于进一步研究。     

不同放牧强度草原休牧后土壤养分和植物群落变化特征

在内蒙古典型草原,对不同放牧率草地休牧3a后的土壤养分空间异质性和植物群落的数量变化特征进行了研究,结果表明：不同放牧率草地休牧3a后,由于维持土壤养分或植被空间格局的匀质化条件消失,土壤养分的空间异质性呈不同程度的增大趋势,随机性因素所占比例增加,其中土壤有机碳、全氮、无机氮、有效磷和有效硫的空间异质性均以0．00羊/hm^2区最大,4．00羊／hm^2区（中牧区）最小,其它样地不同土壤养分指标表现不同的变化特征;群落生物量和群落盖度均表现增加趋势,但群落盖度增加不显著（P〉0．05）,与1998年相比,群落生物量除对照区外均达到了显著性差异（P〈0．05）,与1．33羊／hm^2、4．00羊／hm^2和6．67羊／hm^2相比,O．00羊／hm^2优势植物出现多样化特征;群落的灌丛化与牧压和恢复演替的时间序列高度相关,牧压越小,恢复演替的时间序列越大,群落灌丛化的趋势越明显;1年生植物、羊草、克氏针茅、木地肤、冷蒿（除6．67羊／hm^2）和扁蓿豆（除O．00羊／hm^2）均表现增加趋势,星毛委陵菜则均表现降低趋势;植物群落的生物量、群落高度、群落盖度和群落物种多样性与土壤养分分布均表现一致的正相关关系,但只有植物群落生物量和群落高度与土壤有机碳、全氮、无机氮、土壤有效磷和有效硫相关显著（P〈0．05）。     

不同放牧率对内蒙古典型草原植物叶片解剖结构的影响

以内蒙古草原生态系统定位研究站15a长期放牧样地的7种主要植物(扁蓿豆、冰草、糙隐子草、冷蒿、小叶锦鸡儿、星毛委陵菜、羊草)为材料,通过对不同放牧率(无牧、轻牧、中牧、重牧)下植物叶片解剖结构(角质层厚度、表皮细胞面积、叶肉细胞面积、栅栏/海绵组织厚度、叶片厚度、中脉厚度)特征以及化学成分变化的研究,探讨不同植物对长期放牧的适应策略,从而为典型草原放牧演替规律提供理论依据.结果表明:总体上,植物角质层厚度随放牧率的增加而增加;而表皮细胞面积、叶肉细胞面积、叶片厚度等指标不同植物的反应不同.植物叶片化学成分(全N、全C、纤维素含量、叶绿素a+b及a/b)随放牧率的变化较小.放牧率对冰草、冷蒿、羊草的全C、全N、叶绿素和纤维素含量均没有显著影响(P＞0.05),但却显著降低了糙隐子草的比叶面积及星毛委陵菜和小叶锦鸡儿的叶绿素含量,提高了糙隐子草的纤维素含量及扁蓿豆叶片的全N含量(P<0.05).因此,不同植物对放牧的反应存在着明显的种间差异,其中植物角质层厚度、表皮细胞面积、叶片厚度和中脉厚度是植物对放牧响应最为敏感的指标.     

氮磷添加对内蒙古温带草地地上生物量的影响

干旱半干旱地区植物生长不仅受到水分的限制,同时也受到养分的限制.为进一步明确养分在多大程度上能促进半干旱区植物的生长,本研究在内蒙古温带草原开展了连续2年的养分添加控制试验,设置10和40 g·m^-2·a^-1的N添加水平以及10 g·m^-2·a^-1的P添加水平.结果表明： N添加能够显著促进植物生长,10和40 g N·m^-2·a^-1处理地上生物量在2012年分别较对照增加50.8%和65.9%,2013年增加71.6%和93.3%,2个N添加处理之间地上生物量无显著差异.与单独10和40 g·m^-2·a^-1的N添加处理相比,P添加后地上生物量在2012年分别提高98.4%和186.8%,2013年分别提高111.7%和141.4%.N添加普遍提高了3种植物功能群(禾本科、菊科和其他科)的地上生物量,但较对照差异不显著,而N、P同时添加显著提高了菊科植物的地上生物量.养分添加使植被盖度升高,从而改善了表层土壤的水分条件,这可能是N、P添加促进植物生长和提高降水利用效率的重要机制之一.     

Responses of plant 15N natural abundance and isotopic fractionation to N addition reflect the N status of a temperate steppe in China

Aims Elevated anthropogenic nitrogen (N) deposition could alter N status in temperate steppe. However, threshold observations of N status change from N limit to N saturation by far are not conclusive in these ecosystems. Research on the natural abundance of¹⁵N (δ¹⁵N) could greatly help provide integrated information about ecosystem N status. The goal of this study was to investigate the suitability of measurements of δ¹⁵N of major ecosystem N pools and several key species, plant¹⁵N fractionation, together with key vegetation and soil indicators in response to N fertilization as a tool to identify the N status in a temperate steppe in Inner Mongolia.     

1956-2009年内蒙古苏尼特左旗荒漠草原的降水格局

弄清全球变化背景下不同地区降水格局的变化对科学理解气候变化及其影响具有重要意义。苏尼特左旗荒漠草原是温带干旱半干旱地区的典型荒漠草原,对气候变化,特别是降水变化非常敏感。利用1956-2009年的日降水资料探讨了苏尼特左旗荒漠草原降水格局的变化规律,以为揭示气候变化的影响机制提供依据。结果表明,该地区年均降水量为191.9 mm,年际变化剧烈,变异系数达26.63%;年均降水日数为63.8 d,变异系数16.9%。生长季降水占全年的85%,但各月变异系数均>50%;降水日数占全年的63%。年和生长季的各月降水以中等降水量、弱降水日数为主,中等强度以上降水事件较少。近50 a来,年和生长季的降水量、降水日数与各等级降水事件均呈下降趋势,年降水减少的原因在于中等降水事件的减少、生长季降水减少的原因在于弱降水事件的减少。年降水减少将影响草地的土壤水分与植物返青;而生长季降水减少将直接影响草地固碳。气候变化背景下年与生长季降水的减少将进一步加剧该地区干旱程度并影响植物的生长发育,从而直接威胁到草地畜牧业的发展。     

降水时间对内蒙古温带草原地上净初级生产力的影响

全球气候变化下降水时间的改变将深刻影响草原生态系统地上净初级生产力(ANPP),而草原生态系统ANPP是区域碳循环的重要过程.利用1998-2007年的SPOT-VEG NDVI数据并结合111个样点的ANPP地面样方调查数据,获得了内蒙古温带草原1998-2007年的ANPP区域数据,依此分析了中国内蒙古温带草原以及区域内的3种植被类型(荒漠草原、典型草原、草甸草原)降水时间对ANPP的影响.研究结果表明,对于整个内蒙古温带草原来说,一个水分年内(从上一年9月份到当年地上生物量达最大值时的8月份)影响ANPP较为重要的降水月份为2-7月份,其中,5-7月份降水尤为重要.具体到每个月降水的影响,研究发现,7月份降水最重要,而仍处于生长季的8月份降水相对于其他生长季降水作用最小;影响不同草地类型最重要的降水时期存在一定差异,对荒漠草原和典型草原地区来说,ANPP达最大值前3个月(5-7月份)的生长季降水最重要,而8月份降水影响较小,而草甸草原地区8月份和非生长季的3、4月份降水最重要,但各个降水时期降水对ANPP的影响都较荒漠草原和典型草原小,大部分地区降水对ANPP的影响不显著.