长期氮添加对典型草原植物多样性与初级生产力的影响及途径

氮(N)沉降对陆地生态系统的结构和功能已产生了重要的影响, N也是中国北方草原植物生长和初级生产力的主要限制性元素。物种多样性和功能多样性是揭示生物多样性对生态系统功能维持机制的关键指标, 然而, 关于长期N添加下草原物种多样性与功能多样性的关系, 及其对初级生产力的影响途径及机制, 尚不十分清楚。为此, 该研究依托在内蒙古典型草原建立的长期N添加实验平台, 实验处理包括1个完全对照(不添加任何肥料)和6个N添加水平(0、1.75、5.25、10.50、17.50和28.00 g·m^-2·a^-1), 研究了长期N添加对典型草原物种多样性、功能多样性和初级生产力的影响大小及途径。结果表明: 1) N添加显著降低了典型草原的物种丰富度和Shannon-Wiener指数, 但对功能多样性(包括功能性状多样性指数和群落加权性状值)无显著的影响。2)结构方程模型分析表明, 功能多样性主要受物种丰富度的影响, 但是物种多样性减少并没有导致功能多样性降低, 其原因主要是功能群组成发生了改变, 即群落内多年生根茎禾草所占比例显著增加, 以致群落加权性状值变化不大。3) N通过影响物种丰富度和功能群组成, 间接影响群落加权性状值, 进而影响群落净初级生产力。其中, 群落加权性状值是最重要的影响因子, 可解释48%的初级生产力变化, 表明初级生产力主要是由群落内优势物种的生物量及功能性状所决定, 因此该研究的结果很好地支持了质量比假说。     

氮添加对宁夏荒漠草原植物初级生产力的影响机制

许多研究探索了与全球变化相关的生态系统功能的变化,但对生态系统功能变化的机制与途径了解较少。初级生产力是生态系统功能的重要组分,但关于氮(N)添加下荒漠草原植物群落初级生产力如何变化以及变化机制尚未明确,N是否通过影响生物多样性来影响荒漠草原初级生产力?为此,本研究在荒漠草原开展了为期4年的N添加控制实验(2018—2021年),试验处理包括对照和4个N添加水平(5、10、20和40 g m^-2 a^-1),研究了N添加对荒漠草原物种多样性、功能多样性、初级生产力及其关系的影响。结果表明：(1)N添加处理(2018—2021年)改变了植物物种多样性及功能多样性,但年际间变化趋势不同。N添加处理第四年(2021年)荒漠草原植物功能多样性(Rao指数)、群落加权平均值-株高、功能均匀度和功能离散度均显著增加,而荒漠草原植物物种丰富度和Shannon-Wiener指数均显著降低。(2)N添加可以通过影响物种丰富度和功能多样性进而间接地促进荒漠草原初级生产力,但群落加权性状值-株高对初级生产力的影响是正效应,而物种丰富度和功能离散度对初级生产力的影响是...     

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。     

长期氮添加对内蒙古典型草原植物地上、地下生物量及根冠比的影响

氮沉降的增加显著改变了生态系统功能和过程。大量研究表明,氮添加会提高生态系统生产力,然而,大部分研究集中在地上生物量,对地下生物量以及根冠比的研究较少。我们在内蒙古典型草原进行了7年的氮添加实验,设置6个氮添加水平,分别是N0(0)、N1(5.6 g N·m-2)、N2(11.2 g N·m-2)、N3(22.4 g N·m-2)、N4(39.2 g N·m-2)、N5(56 g N·m-2),测定植物地上和不同土层(0～10、10～30、30～50和50～100 cm)地下生物量并计算根冠比,研究不同氮添加水平对植物地上、地下生物量和根冠比的影响。结果表明:(1)与对照相比,低氮添加水平(N1和N2)未显著增加地上生物量,高氮添加水平(N3～N5)显著增加了地上生物量(96%～117%),且各高氮添加水平间差异不显著;(2)不同氮添加水平下,植物地上生物量的氮响应效率(NRE)均大于0且呈下降趋势,相邻氮添加水平的NRE差值(ΔNRE)仅在N3水平下显著增加,说明地上生物量在N3水平下达到饱和;(3)氮添加未显著改变不同土层以及整个土壤剖面上的地下生物量,且对各土层地下生物量的占比情...     

不同频率氮添加对内蒙古典型草原植物叶绿素的影响

大气氮沉降会影响植物功能性状的变异和进化,进而作用于植物个体和生态系统功能。研究草地生态系统植物功能性状在不同氮添加模式下的响应差异,对更准确地评估植物对环境变化的适应性至关重要。基于内蒙古草原野外长期氮沉降模拟实验平台,研究氮添加频率对优势物种羊草和冰草叶绿素含量的影响,结果表明每年一次氮添加使羊草叶绿素含量增加最多(15.21%),而每月一次氮添加对冰草叶绿素含量影响最大(增加了14.74%)。氮添加尤其是每年一次氮添加显著增加了土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量,并使土壤pH显著降低。这些结果表明:羊草叶绿素含量对低频率氮添加响应更明显,而高频率氮添加对冰草叶绿素含量的影响更显著,这两类物种间养分吸收策略存在明显差异。启示低频率氮添加可能高估了氮沉降对羊草叶绿素含量的影响,而低估了对冰草叶绿素含量的影响,这对准确预测植物叶片功能性状对大气氮沉降的变异具有重要意义,并将有助于应用到植物功能性状预测生态系统功能和过程响应未来全球变化的模型中。     

长期封育演替下典型草原植物群落生产力与多样性关系

封育是退化草地的重要恢复措施, 理解长期封育过程中草地群落生产力和植物多样性变化特征及两者间关系, 有助于草地植被的恢复管理与利用。该研究依托宁夏云雾山国家级自然保护区典型草原长期封育演替梯度, 选择持续放牧、封育9年、26年和34年的草地群落作为研究对象, 分析其地上生产力、物种多样性和功能多样性的变化特征及内在联系。结果表明, 封育显著提高典型草原植物群落的地上生产力、凋落物生物量、功能丰富度和功能离散度, 未改变草地群落的物种丰富度、Shannon-Wiener指数和功能均匀度, 但Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数在长期封育(34年)后显著下降。此外, 封育对不同植物群落加权平均功能性状的影响存在差异。随机森林模型和方差分解结果显示, 群落加权平均功能性状对封育草地群落地上生产力变异的解释度高达70.70%, 其中植株高度是最主要的解释因子; 功能多样性的解释度为36.86%, 主要由功能丰富度贡献; 而物种多样性的解释度仅为14.72%。由此可见, 植物功能性状和功能多样性对草地群落地上生产力的贡献远高于物种多样性, 建议将其纳入植物群落恢复演替动态研究, 以便全面了解植物多样性与生态系统功能的关系, 为更好地实现生态恢复目标奠定基础。     

长期氮添加对草甸草原生态系统氮库的影响

大气氮沉降增加深刻影响生态系统物种多样性、生产力及其稳定性,研究草原生态系统N库如何响应不断增加的大气氮沉降至关重要.本研究在内蒙古额尔古纳草甸草原开展刈割和不同水平外源氮添加试验,设置6个氮添加水平:0、2、5、10、20和50 g·m-2·a-1,同时设置刈割处理,分为刈割和不刈割2个水平.在连续处理的第7年,采集...     

氮水添加对放牧背景下荒漠草原生产力的影响

水分与氮素作为干旱和半干旱草原生产力的共同限制性因子在退化草原的生态快速修复过程中备受关注。以不同放牧强度背景下的短花针茅荒漠草原为研究对象,开展围封模拟放牧利用实验,同时添加氮素和水分。通过分析历史放牧强度与年份对生产力的影响,以及添加氮素和水分对不同功能群植物生物量的作用,探讨放牧强度对短花针茅草原生产力的内在作用机制,以及如何实现荒漠草原资源合理开发和可持续利用。研究结果显示,降雨量与放牧强度决定着短花针茅草原的植物群落结构。氮素和水分添加可分别提升11%-29%和12%-32%的群落地上生物量,且二者存在显著的交互作用。不同功能群植物的地上生物量对氮素与水分添加的响应存在差异,多年生丛生禾草对氮素和水分添加响应最敏感。氮素与水分添加可显著提高多年生丛生禾草的地上生物量,但与自然降水量相关。氮素添加对地上生物量的影响在正常降雨和稍旱年份作用显著,而水分添加在干旱年份作用显著。在正常降雨年份,以半灌木植物为优势种的轻度放牧背景以添加水分对提升生产力最宜,以多年生丛生禾草和半灌木为共优种的中度放牧背景和以多年生丛生禾草为优势种的重度放牧以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜;在干旱年份不同放牧强度背景下均以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜。我们的结果表明了养分与资源的改善有利于退化短花针茅草原的快速恢复和可持续生产。     

长期放牧和氮添加对黄土高原典型草原长芒草种群生长的影响

种群是草原生态系统结构、功能形成和发展的基础。然而,长期放牧伴随着全球气候变化深刻影响着种群的生长和繁殖。长芒草(Stipa bungeana)是黄土高原典型草原的优势种,具有较高的生态和经济价值。该研究依托黄土高原典型草原长期滩羊轮牧实验平台,采用完全随机的裂区实验设计,以放牧率(0、2.7、5.3、8.7 sheep·hm–2)作为主因子,氮添加水平(0、5、10、20 g·m–2)作为副因子,探究放牧、氮添加及其交互作用对长芒草的形态性状、地上生物量及其占群落生物量比例的作用。结果表明:随放牧率的增加,长芒草的株高、冠幅直径、分蘖密度、实生苗密度、地上生物量和生物量占比呈“单峰”曲线变化趋势,种群密度降低。而氮添加增加长芒草的株高、冠幅直径、生殖枝密度、分蘖密度、地上生物量和生物量占比;实生苗密度随氮添加的增加呈先增后减的趋势。相比氮添加,放牧对长芒草地上生物量和生物量占比的总效应小,放牧对地上生物量有直接的负效应,并通过调控分蘖密度、种群密度及地上生物量影响其生物量占比;氮添加不仅对地上生物量有直接的积极效应,还通过株高、生殖枝密度对地上生物量有间接的正效应,同时通过调控种群密...     

养分添加对内蒙古贝加尔针茅草原植物多样性与生产力的影响

研究养分添加对草地群落植物组分、结构和多样性格局的影响,对退化草地生态系统恢复与重建具有重要的理论和实践意义。以内蒙古贝加尔针茅(Stipa baicalensis)草原为对象,研究了N、P、K养分添加对草地群落植物多样性和生产力的影响。结果表明:1)养分添加显著提升草原初级生产力,其中氮素添加的效果最明显,NPK复合添加,草原初级生产力与对照相比提高了1.31倍。2)养分添加使草地群落结构发生改变,N素添加显著提高了贝加尔针茅和羊草(Leymus chinensis)为主的禾本科植物功能群在草地群落中所占的比重,而豆科植物功能群在草地群落中所占的比重则显著降低。3)养分添加使草原植物多样性不同程度地减少,其中以N素添加的效应较为显著。4)在养分添加条件下,植物多样性与草原生产力之间呈负线性相关关系,植物多样性、物种丰富度和物种均匀度与初级生产力的相关系数分别为-0.522、-0.391和-0.534。     

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。     

氮添加对红松人工林草本层植物多样性的影响

氮沉降是驱动生物多样性变化的重要因素之一。为了探索氮添加对红松（Pinus koraiensis）人工林草本层植物多样性的影响及其驱动机制,以黑龙江凉水国家级自然保护区红松人工林为研究对象,设置N0（对照处理,0 kg hm^-2 a^-1）、N20（低氮处理,20 kg hm^-2 a^-1）、N40（中氮处理,40 kg hm^-2 a^-1）和N80（高氮处理,80 kg hm^-2 a^-1）4个施氮水平,进行6年的氮添加实验。结果表明：（1）氮添加显著降低草本层3个功能群的密度和盖度,而对高度无显著影响;（2）6年氮添加使对照与施氮处理间群落相似度随施氮水平的增加而减小;（3）氮添加显著降低草本植物的丰富度和Shannon-Wiener多样性指数,而未对蕨类和木本植物的丰富度和Shannon-Wiener多样性指数产生显著影响,对草本层3个功能群的Pielou均匀度指数均无显著影响;（4）氮添加对草本植物的C、N、P含量、N：P、C：P产生显著影响,对木本植物的P含量、N：P、C：P产生显著影响,对蕨类植物的C：N：P生态化学计量均无显著影响;（5）草本植物多样性与土壤化学性质无显著的相关关系,草本植物丰富度、Shannon-Wiener多样性指数与植物盖度、密度呈显著的正相关关系,丰富度与植物N含量呈显著的负相关关系,Shannon-Wiener多样性指数与植物N：P呈显著的负相关关系。研究表明6年氮添加改变植物草本层中物种组成和群落结构,3个功能群密度和盖度显著降低,高度未产生显著变化,仅降低草本植物的丰富度和多样性。造成该现象的原因可能是,不同物种对于氮的利用特性和耐受程度存在差异,氮添加引起草本植物养分失衡,改变物种组成和群落结构,从而影响草本植物多样性。研究结果可为我国温带森林生态系统持续性管理提供数据和理论基础。     

黄土高原典型草原优势植物凋落物分解及养分释放对氮添加的响应

利用原位分解袋法研究了黄土高原典型草原优势植物长芒草(Stipa bungeana)和阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)凋落物的养分释放过程对氮添加的响应,试验周期为1 a。设置6个氮添加水平,分别为N0(0)、N1(1.15 g N m~(-2)a~(-1))、N2(2.3 g N m~(-2)a~(-1))、N3(4.6 g N m~(-2)a~(-1))、N4(9.2 g N m~(-2)a~(-1))和N5(13.8 g N m~(-2)a~(-1)),氮素类型为尿素((NH_2)_2CO)。结果表明:(1)氮添加处理两年显著改变了长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物的初始化学性质。随着氮梯度的增加,凋落物的N(氮)含量逐渐增加,木质素含量先增加后下降,C/N(碳氮比)和木质素/N降低,C(碳)、P(磷)和C/P(碳磷比)没有显著的差异。(2)氮处理对长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物的分解速率的影响不显著。长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物C含量随分解时间整体为降低过程,N和P含量总体上为增加过程,且整个分解过程中N含量各处理间差异显著。(3)氮处理对长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物C和P的分解基本无影响,两种元素都呈现释放过程。氮处理对凋落物的N残留率有显著的影响,在N1—N3(1.15—4.6 g/m~2)处理下的长芒草凋落物N残留率高于其他处理,且呈现富集过程;而阿尔泰狗娃花凋落物中的N呈现富集-释放过程。在土壤养分贫瘠的黄土高原典型草原,适量的氮输入可以促进系统的固氮。     

长期氮添加对亚热带森林土壤微生物碳源代谢多样性的影响

土壤微生物功能多样性对维持生态系统功能和稳定性具有非常重要的意义。人类活动造成全球氮沉降量激增,会引起土壤微生物群落结构和功能的改变,但是目前有关亚热带森林生态系统土壤微生物碳源利用多样性对模拟N沉降的响应还不是很清楚。依托位于鼎湖山的长达15年的长期野外模拟氮沉降试验样地平台,借助Biolog-Eco微平板技术,分析探讨了不同N添加量对季风常绿阔叶林中土壤微生物群落碳代谢功能多样性的影响差异及机制。研究结果表明:(1)与对照相比,长期低N、中N和高N量添加使土壤微生物碳源代谢活性(AWCD)分别显著降低了15.3%、32.9%和38.0%;并且显著降低了微生物碳源利用Shannon多样性指数和丰富度指数;(2)微生物对糖类、羧酸、氨基酸、胺类和酚酸类的利用随着施N水平的提高而显著降低;其中胺类最为敏感,长期高N添加下其利用强度与对照相比显著降低了80.2%;(3)主成分分析表明,不同N添加水平显著影响了土壤微生物碳源利用(P=0.001);(4)分类变异分析表明,土壤和植物因素可解释不同N水平下碳源利用差异的90.7%;(5)典型对应分析发现,土壤pH(P=0.009)是解释不同N水平添加处理间土壤微生物碳源代谢多样性差异的主要环境因子;而植被丰富度和凋落物量没有显著影响。综上所述,长期不同N添加显著影响了亚热带森林土壤微生物碳源代谢多样性,并且结果表明土壤pH是影响碳源利用多样性的主要影响因素。研究结果对于揭示全球变化影响下热带森林生态系统地下生物多样性维持机制提供了重要理论依据。     

内蒙古典型草原地上净初级生产力对气候变化响应的模拟

利用内蒙古锡林浩特国家气候观象台1994～2009年牧草生长季逐月实测资料,对CENTURY模型进行检验,模拟内蒙古典型草原1953～2010年间地上净初级生产力(ANPP)动态,并与26个气象因子进行相关性分析。模型检验结果显示,模拟值与观测值之间的相关系数为R2=0.66,斜率b=0.95,误差平方根值为50.51g.m-2,平均绝对百分比误差为44.19%。结果表明:(1)CENTURY模型能比较准确地模拟这类草原的季节动态和年际变化;在过去的58年中,内蒙古典型草原温度增加,降水减少,ANPP下降;ANPP变化趋势与降水量相似。(2)用实际气象观测资料模拟获得的ANPP随气温和降水的变化呈现出明显的变化规律,生长季内地上生物量对降水和温度的季节性分布也非常敏感;相关分析进一步表明,ANPP对生长季内降水量和极端高温非常敏感,而与年极端最低气温、平均地面温度、日照时数、平均风速和最大积雪深度无显著相关关系;过去58年研究区ANPP下降是降水减少、温度升高以及干旱事件频发共同作用的结果。(3)根据预测,在SRES B2情景下,未来50～100年内蒙古典型草原生长季平均最高气温和最低气温都将呈升高趋势,2080s分别升高4.01℃、4.35℃,每10年增加速率分别为0.35℃和0.38℃;降水量略呈增加,2020s、2050s和2080s研究区生长季将分别增加3.17%、5.13%和7.03%,每10年增加速率为0.09mm;ANPP呈下降趋势年际间波动较大,2020s、2050s和2080s研究区将分别下降5.76%、7.52%和11.42%,每10年下降速率为0.76g.m-2。     

内蒙古高原针茅草原植物多样性与植物功能群组成对群落初级生产力稳定性的影响

内蒙古高原4类地带性草原群落,贝加尔针茅（Stipa baicalensis Roshew.）群落、大针茅（S.grandis P.Smirn.）群落、克氏针茅（S.krylovii Roshev.）群落和小针茅（S.klemenzii Roshev.）群落初级生产力连续12年的定位研究结果表明,在气修波动下群落生产力及其稳定性与群落多样性特征的变化是一致的,从贝加尔针茅群落到小针茅群落。植物多样性显下降,群东中起重要作用的植物功能群的数量逐渐减少,群落初级生产力及其稳定性也逐渐降低。生活型功能群组成中,多年生丛生禾草、多年生根茎禾草与苔草和多年生杂类草功能群多样性与群落初级生产力稳定性极显地呈正相关。生态类群组成中,旱生植物和中旱生植物功能群多样性也与群落初级生产力稳定性极显地呈正相关,生态位互补效应（niche complementary effect）可能是高植物多样性群落具有高生产力的机制,而植物多样性对群落初级生产力稳定性的影响可能是通过不同功能群间的补偿作用来实现的。     

长期N添加对典型草原几个物种叶片性状的影响

通过一个连续4 a(2003—2006年)N添加的野外控制试验(0、1、2、4、8、16、32、64 g/m2等8个水平),探讨了N供给改变对内蒙古典型草原几个常见物种叶片性状的影响。结果表明,沿施N水平,冷蒿(Artemisia frigida)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)和砂韭(Allium bidentatum)比叶面积(SLA)呈指数增加,而克氏针茅(Stipa krylovii)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)SLA无明显变化规律;5个物种绿叶N浓度和枯叶N浓度均呈增加趋势,而绿叶P浓度和枯叶P浓度的变化趋势呈明显的物种差异性。物种间,冷蒿具有较高的SLA和叶片养分浓度,克氏针茅具有较低的SLA和叶片养分浓度。以上结果表明,N供给增加降低了植物保持N的能力,对植物P保持能力的影响随物种不同而异,反映了植物P策略对N供给改变的弹性适应。因此,大气N沉降增加改变着植物N和P利用策略,进而影响着植被-土壤系统N和P循环,而其物种差异性将对群落结构产生深远影响。     

典型草原地区退化草原的改良及提高生产力途径的研究

作者在内蒙古典型草原地区进行了围栏封育、轻耙松土、耕翻撩荒、播种羊草和羊草混播旱生豆科植物,经过5年的试验,显示出这些措施都能不同程度地提高产草量;由于这些改良措施均在七月雨季进行,翻耕后的植物当年即可覆盖土表,所以也不会导致沙化。