不同降水条件下荒漠草原植物的养分含量及回收对增温和氮素添加的响应

为了探讨荒漠草原植物养分回收特征对长期增温和氮素添加的响应以及自然降水变异对其的调控作用,该研究依托实施12年的模拟增温和氮素添加实验平台,在相对多雨的2016年(超过长期均值52%)和相对少雨的2017年(低于长期均值16%),以常见C_3植物银灰旋花(Convolvulus ammannii)和C_4植物木地肤(Kochia prostrata)为研究对象,测定分析绿叶和枯叶的氮磷含量及回收效率。结果表明:(1)在相对多雨年(2016年),增温使2种植物的绿叶氮、枯叶氮、绿叶磷、枯叶磷含量分别增加了14.32%、25.45%、17.97%和46.47%,氮、磷回收效率分别显著减小了9.41%和16.99%(P0.05);氮素添加使2种植物的绿叶氮、枯叶氮、绿叶磷、枯叶磷含量分别提高了17.32%、25.62%、20.21%和51.41%,而氮、磷回收效率显著降低了9.33%和18.89%(P0.05);增温+氮素添加共同处理显著增加了植物氮磷含量、降低了氮磷回收效率。(2)在相对少雨年(2017年),增温、氮素添加、增温+氮素添加处理对植物叶片氮磷含量、回收效率均无显著影响。(3)叶片氮磷含量在物种间差异极显著(P0.000 1),而氮磷回收效率在物种间无显著差异。(4)回归分析表明,植物叶片氮磷含量随着土壤无机氮、有效磷及含水量的增加而增加,植物氮磷回收效率则随着土壤养分和水分的可利用性的增加而降低。研究认为,荒漠草原植物养分回收对全球变化的响应受自然降水变异的调控。     

增温和氮素添加对内蒙古荒漠草原植物生殖物候的影响

植物物候是响应气候变化的敏感生物指示性状,在气候变暖并伴随着大气氮沉降增加的背景下,物候变化是气候变迁导致群落结构和生态系统功能变化的重要机制。本研究在以短花针茅(Stipa breviflora)为建群种的内蒙古荒漠草原设置了增温、氮素添加及其交互作用的实验平台,对短花针茅、木地肤(Kochia prostrata)、银灰旋花(Convolvulus ammannii)和细叶韭(Allium tenuissimum)4种多年生优势植物的开花、结实等物候期和生殖生长持续时间进行连续3个生长季(2008—2010年)的观察,植物物候观测采用定株标记,并对各植株上所有物候状态进行打分并以其非加权平均值作为植株整体物候分值,全年观测结束后将植株的物候分值随时间的变化利用Richards方程进行拟合,最终根据回归方程计算植物各物候期。结果表明:1)在3个生长季中,增温使4个植物种的平均开花、结实时间分别显著地提前了2.28和1.88 d·a-1;2)氮素添加对这些植物种的开花和结实时间都没有显著性影响;3)同时进行增温和氮素添加处理使植物的平均开花、结实时间分别提前1.75和1.53 d·a-1,但2种处理之间没有交互作用;4)增温使这些植物的平均生殖生长持续时间显著延长0.84 d·a-1,使短花针茅和木地肤生殖生长持续时间分别延长了1.20和3.25d·a-1。氮素添加使细叶葱的平均生殖持续时间显著缩短了1.52 d·a-1。这些结果揭示了气温升高和氮沉降影响下荒漠草原优势植物生殖物候的变化,将为分析不同种植物对各类资源需求规律的变化提供直接的实验证据,对于进一步预测全球变化背景下种间竞争格局和群落结构的演变趋势具有重要参考价值。     

不同降水条件下内蒙古荒漠草原主要植物物候对长期增温和氮添加的响应

植物物候是生态系统对气候变化响应的重要指示器,是植物生产力与植被动态模拟的重要参数。但是植物物候对全球变化的响应是否存在年际间变异、年内变异、物种间变异或生境间变异,以及如何改变,目前仍然不明确。该研究基于内蒙古荒漠草原长期增温和氮添加实验平台,选择优势植物短花针茅(Stipa breviflora)、冷蒿(Artemisia frigida)和木地肤(Kochia prostrata)为研究对象,使用物候打分观测方法和Richards生长曲线拟合方法,研究了实验处理第11、12和13年(2016–2018年)期间增温和氮添加对植物物候的影响。研究结果表明:(1)短花针茅开花时间集中在第129–145天,冷蒿开花时间集中在第230–248天,木地肤开花时间集中在第194–222天。增温、氮添加和增温+氮添加均使短花针茅和木地肤开花时间趋于提前,冷蒿开花时间趋于推迟。(2)短花针茅结果时间集中在第134–148天,冷蒿结果时间集中在第241–260天,木地肤结果时间集中在第207–231天。增温、氮添加和增温+氮添加处理均使短花针茅和木地肤结果时间趋于提前,冷蒿结果时间趋于推迟。(3)短...     

氮磷添加对荒漠草原植物-凋落物-土壤生态化学计量特征的影响

为明确植物、凋落物和土壤养分含量及化学计量比对土壤中添加多种限制性养分的响应,阐明“植物-凋落物-土壤”连续体化学计量动态及各组分之间的协同作用,以宁夏荒漠草原为研究对象,于2018年开始进行氮(N)、磷(P)养分添加控制试验。试验处理包括对照(CK)、N添加、P添加、NP共同添加4个处理。结果表明：(1)NP共同添加显著增加了荒漠草原植物N和P含量、以及凋落物和土壤P含量,显著降低了荒漠草原植物C∶N和C∶P、以及土壤和凋落物C∶P和N∶P。P添加显著增加了荒漠草原植物、凋落物和土壤P含量,显著降低了植物、凋落物、土壤C∶P和N∶P。N添加分别增加了植物、凋落物N含量和N∶P,但对植物N含量影响未达到显著水平。(2)C、N、P含量和N∶P大小均表现为植物>凋落物>土壤,C∶N和C∶P均表现为凋落物>植物。(3)N添加提高了荒漠草原植物对P再吸收效率,降低了荒漠草原植物对N利用效率;P添加提高荒漠草原植物对N再吸收效率,降低荒漠草原对P的利用效率;NP共同添加提高了荒漠草原植物对N和P再吸收效率,降低了荒漠草原植物对N和P利用效率。(4)植物-凋落物-土壤的N、P含量...     

短期氮添加对荒漠草原植物群落组成及稳定性的影响

在宁夏荒漠草原开展短期氮添加实验,探究不同氮添加水平(0、5、10、20和40 g·m-2·a-1,分别表示为CK、N5、N10、N20和N40)对荒漠草原植物物种多样性、生物量及群落稳定性的影响.结果 表明:短期氮添加处理显著影响了植物群落Shannon多样性指数、Patrick丰富度指数及群落盖度,而对Pielou...     

宁夏东部荒漠草原-灌丛地转变过程土壤氮素响应

选取近30年荒漠草原灌丛引入形成的典型草地-灌丛镶嵌体内部的荒漠草地、草地边缘、灌丛边缘、灌丛地为研究样地,对各样地及其微生境(植丛与空斑)相关土壤指标进行测定,以了解荒漠草地向灌丛地转变过程中土壤氮素的响应特征.结果 表明:随草地灌丛化转变,草本与灌丛生物量均增加,其中一年生草本随灌丛引入增加明显;土壤水分、全碳、全...     

氮和水分添加对内蒙古荒漠草原放牧生态系统土壤呼吸的影响

土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分, 同时也是评价生态系统健康状况的重要指标, 对于评估退化草地恢复过程中生态系统功能具有重要意义。该研究在内蒙古四子王旗短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原长期放牧实验平台上进行, 该平台设置对照(CK)、轻度(LG)、中度(MG)和重度(HG) 4个放牧强度。通过在4个放牧处理区设置氮、水添加实验处理, 探讨不同放牧强度背景下, 氮、水补充对荒漠草原土壤呼吸过程的影响。结果表明: (1)历史放牧强度除2015年对土壤呼吸无显著影响, 2016和2017年都有显著影响, 放牧区3年平均土壤呼吸速率基本都高于对照区。此外, 氮和水分添加显著增加了MG区土壤呼吸速率, HG区氮、水同时添加对土壤呼吸速率有显著增加作用; (2)无论是历史放牧强度, 还是氮、水添加处理, 都没有改变荒漠草原生长季土壤呼吸速率的季节动态变化趋势, 土壤呼吸速率基本表现为单峰曲线模式, 峰值出现在水热同期的7月份; (3)不同年份生长季土壤呼吸速率对氮、水处理的响应并不相同, 氮添加至第3年产生显著影响。水分添加在平水年份(2015和2017年)对土壤呼吸产生显著影响, 但在丰水年份(2016年)无显著影响。氮、水共同添加分别在CK、LG和HG区3年平均土壤呼吸速率显著高于单独加水处理, 说明氮添加的有效性依赖于水分条件, 两者表现为协同作用; (4)不同处理下荒漠草原土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)值介于1.13-2.41之间, 平均值为1.71。在无氮、水添加时, 放牧区的Q₁₀值都小于CK区, 总体表现为CK 大于 MG 大于 LG 大于 HG; 加水和氮水共同添加处理后, Q₁₀值都有明显增加, 其中NW处理下Q₁₀值都增加到2.0以上。上述结果说明在过去受不同放牧强度影响的荒漠草原在停止放牧后的恢复过程中, 土壤水分仍是影响土壤呼吸的主导环境因子, 外源氮添加只有在满足一定水分供给的基础上才起作用, 尤其是过去的重度放牧区土壤呼吸速率对氮、水补充的响应最为强烈。该研究结果可以为评估荒漠草原恢复过程中土壤呼吸速率受养分和水分影响提供基础资料和依据。     

荒漠草原不同放牧强度背景下添加氮水对凋落物分解的影响

凋落物分解是连接生态系统地上、地下过程的重要环节,决定了生态系统养分循环速率,但到目前为止对凋落物分解在荒漠草地生态系统受放牧以及外源资源补给影响的研究较少。本研究通过对不同放牧强度(对照、轻牧、中牧和重牧)短花针茅草原群落进行添加氮素(10.0 g N m~(-2) a~(-1))和增水(108 mm/a)处理,探讨群落水平凋落物分解速率的变化。研究结果显示,过去不同强度放牧历史对群落凋落物分解影响极显著(P0.0001)。凋落物前期分解(135 d)过程中,凋落物初始C∶N比与凋落物分解速率常数呈显著负相关关系,表明凋落物可降解性在凋落物前期分解中起主要作用。轻度放牧影响下凋落物分解速度最快,这与该条件下凋落物C∶N比显著低于其他放牧强度下的有关,说明适度放牧不仅有利于群落维持,也在一定程度上有利于生态系统养分循环。当凋落物分解更长时间(870 d)后,对照区凋落物分解速率显著低于放牧处理样地,但凋落物初始C∶N比对凋落物分解速率没有显著影响。进一步分析显示,不同放牧强度背景下长期凋落物分解速率与分解环境的土壤微生物多样性成正相关关系,与群落盖度呈极显著(P0.001)负相关关系。添加氮素显著(P0.05)降低凋落物分解速度,但对凋落物氮含量无显著影响。生长季加水未影响凋落物质量及凋落物分解速度。研究结果表明,凋落物前期分解受凋落物质量影响,但较长时间凋落物分解则与分解过程中接受到的太阳辐射量有关。     

内蒙古荒漠草原37种植物氮与灰分含量的特征

本文报告了内蒙古荒漠草原地区37种植物氮、硅与灰分含量的组成特征,结果表明,荒漠草原区植物的平均含硅量(1.019%),灰分含量(12.85%)都高于草甸草原与典型草原,而其含氮量(2.16%)都低于草甸草原与典型草原。在内蒙古草原区,植物化学元素组成呈现了地带性分异的特征。     

增温、增雨对荒漠草原植物和土壤总氮及稳定氮同位素的影响

剖析气候变化下植物和土壤氮含量关系,有助于了解植物—土壤氮循环,揭示植物群落和土壤演替趋势。收集了增温(环境温度、增温2℃和4℃)增雨(自然降水量、降水量增加25%和50%)6年析因实验处理后荒漠草原优势物种和土壤样品,通过对叶片和土壤的总氮(Total nitrogen, TN)、有效氮(Available nitrogen, AN)以及稳定氮同位素(Stable nitrogen isotopes, δ¹⁵N)测定分析,探究了增温增雨后荒漠草原植物和土壤氮含量变化趋势以及控制植物—土壤氮循环的主要因子。结果表明：(1)单独增温和同时增温增雨使土壤TN、AN和δ¹⁵N值升高但不显著(P>0.05);单独增雨显著降低了土壤AN(P<0.05)。(2)单独增温使短花针茅(Stipa breviflora)和栉叶蒿(Neopallasia pectinata)叶片TN升高,而冷蒿(Artemisia frigida)和蒙古葱(Allium mongolicum)叶片TN降低;单独增雨和同时增温增雨显著降低了4个物种叶片TN(P<...     

短期氮、水添加对放牧背景下荒漠草原短花针茅叶片属性的影响

叶片属性是反映植物对环境变化敏感程度的重要特征,可在一定程度上预测植物对放牧干扰后的恢复能力。短花针茅（Stipa breviflora）是内蒙古荒漠草原的主要建群种。在不同放牧强度背景下的短花针茅草原开展了围封模拟放牧持续利用的实验,同时进行添加氮素和水分的恢复措施,测定了7月和9月中旬建群种短花针茅叶片的比叶面积、叶干物质含量,以及叶片全氮、叶片全磷和叶片全碳含量,分析水分和氮素添加对建群种短花针茅叶片的影响,探讨不同放牧强度下短花针茅可持续利用的氮水调控机制。结果显示,氮素和水分添加显著地增加了短花针茅叶片氮含量,降低了叶片碳氮比;放牧强度也显著地增加了叶片氮含量,且轻度放牧下的叶片氮含量（20.36 g/kg）显著高于对照（18.80 g/kg）;生长末期短花针茅的比叶面积、叶片碳含量、叶片碳氮比和叶片碳磷比显著高于生长盛期,叶片氮含量和磷含量显著低于生长盛期;在生长盛期和生长末期,不同放牧强度背景下对短花针茅所采取的氮素和水分的供给措施也不同。研究结果表明在放牧背景下短期氮、水添加提高了短花针茅的叶片氮含量,特别是在生长季后期水分添加增加了叶片氮和磷含量,可进一步促进短花针茅的生长。我们的结果也表明了资源供给水平的改善有助于短花针茅的迅速恢复。     

降水变化和氮沉降对荒漠草原两种多年生禾草凋落物分解的影响

凋落物分解是陆地生态系统养分循环的重要过程,在生物地球化学循环过程中发挥着重要作用。全球变化是影响凋落物分解的重要因子,其对生态系统养分循环的影响存在诸多不确定性。研究荒漠草原凋落物分解对氮沉降和降水变化及其二者交互作用的响应,是揭示这些不确定性、保护草原生态系统结构和功能的科学基础。以内蒙古四子王旗短花针茅荒漠草原为研究对象,选取建群种短花针茅和优势种无芒隐子草两种植物凋落物,开展为期4年的长期分解实验,探究两种植物凋落物分解特征及养分释放规律。实验采用裂区设计,主区为自然降水（C）、增雨30%（W）和减雨30%（R）3个水分梯度,副区为0（N0）、30（N30）、50（N50）和100（N100） kg hm^-2 a^-1 4个氮素梯度。结果表明：（1）增雨和氮沉降促进荒漠草原凋落物分解,减雨反之,降水对两种凋落物影响具有差异,而氮沉降的作用不依赖于物种;（2）氮沉降缩短凋落物分解周期5.12%-14.82%,增雨与氮沉降交互缩短凋落物分解周期3.69%-28.75%;（3）降水始终有利于凋落物中碳、纤维素和木质素释放,而分解后期氮沉降对其影响不显著,凋落物分解后期主要受木质素分解速率控制。综上所述,影响荒漠草原凋落物分解的主要因素为降水,其次是氮素,二者对凋落物分解具有协同作用。     

短期增温和增加降水对内蒙古荒漠草原土壤呼吸的影响

利用红外辐射增温装置模拟短期持续增温和降水增加交互作用对内蒙古荒漠草原土壤呼吸作用的影响, 结果表明: 土壤含水量对月土壤呼吸的影响显著大于土壤温度增加的影响, 生长旺季的月土壤呼吸显著大于生长末季; 土壤温度和水分增加都显著影响日土壤呼吸, 但二者的交互作用对土壤呼吸无显著影响。荒漠草原7‒8月平均土壤呼吸速率为1.35 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1, 7月份为2.08 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1, 8月份为0.63 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1。土壤呼吸与地下各层根系生物量呈幂函数关系, 0‒10 cm土层的根系生物量对土壤呼吸的解释率(79.2%)明显高于10‒20 cm土层的解释率(31.6%)。0-10 cm土层的根系生物量是根系生物量的主体, 根系生物量对土壤呼吸的影响具有层次性。在未来全球变暖和降水格局变化的情景下, 荒漠草原土壤水分含量是影响生物量的主导环境因子, 而根系生物量的差异是造成土壤呼吸异质性的主要生物因素, 土壤含水量可通过影响根系生物量控制土壤呼吸的异质性。     

Independent effects of warming and nitrogen addition on plant phenology in the Inner Mongolian steppe

Background and Aims

Phenology is one of most sensitive traits of plants in response to regional climate warming. Better understanding of the interactive effects between warming and other environmental change factors, such as increasing atmosphere nitrogen (N) deposition, is critical for projection of future plant phenology.

Methods

A 4-year field experiment manipulating temperature and N has been conducted in a temperate steppe in northern China. Phenology, including flowering and fruiting date as well as reproductive duration, of eight plant species was monitored and calculated from 2006 to 2009.

Key Results

Across all the species and years, warming significantly advanced flowering and fruiting time by 0·64 and 0·72 d per season, respectively, which were mainly driven by the earliest species (Potentilla acaulis). Although N addition showed no impact on phenological times across the eight species, it significantly delayed flowering time of Heteropappus altaicus and fruiting time of Agropyron cristatum. The responses of flowering and fruiting times to warming or N addition are coupled, leading to no response of reproductive duration to warming or N addition for most species. Warming shortened reproductive duration of Potentilla bifurca but extended that of Allium bidentatum, whereas N addition shortened that of A. bidentatum. No interactive effect between warming and N addition was found on any phenological event. Such additive effects could be ascribed to the species-specific responses of plant phenology to warming and N addition.

Conclusions

The results suggest that the warming response of plant phenology is larger in earlier than later flowering species in temperate grassland systems. The effects of warming and N addition on plant phenology are independent of each other. These findings can help to better understand and predict the response of plant phenology to climate warming concurrent with other global change driving factors.     

施氮对荒漠化草原土壤理化性质及酶活性的影响

以腾格里沙漠东南缘的荒漠化草原为对象,设置添加0、1.75、3.5、7和14 g N·m^-2·a^-1 5个氮素水平,研究了施氮对该地区土壤理化性质和土壤酶活性的影响.结果表明: 施氮导致表层(0～10 cm)和下层(10～20 cm)土壤中总氮、NO₃^--N、NH₄⁺-N和有效氮的累积,土壤pH下降,对土壤有一定的酸化作用.施氮明显抑制了土壤酶活性,且不同酶活性在氮素投加水平、土层深度和年际间有所差异.土壤酶活性与土壤氮素水平、土壤pH及土壤水分之间存在显著相关关系.     

荒漠草原植物群落结构及其稳定性对增水和增氮的响应

通过在荒漠草原开展增水和增氮野外控制试验,研究增水和增氮对荒漠草原植物群落结构、物种多样性及群落稳定性的影响。结果表明：（1）增水和增氮处理显著影响了荒漠草原植物群落结构和地上生物量,而对植物群落稳定性影响不显著（P>0.05）。增水处理显著增加了豆科和禾本科植物地上生物量（101.3%和57.9%）（P<0.05）;增水+增氮处理显著增加了植物群落盖度（43.2%）和地上生物量（112.4%）及不同功能群（禾本科和杂类草）植物盖度（75.5%和47.3%）和地上生物量（139.3%和85.7%）（P<0.05）。与增氮处理相比,增水+增氮处理显著增加了植物群落和不同功能群（禾本科和杂类草）植物高度、盖度和地上生物量（P<0.05）。（2）增水、增氮和增水+增氮处理均显著降低了植物群落Pielou指数（11.7%、8.7%和10.2%）（P<0.05）。（3）增水和增水+增氮处理提高了荒漠草原植物群落稳定性,而增氮处理降低了荒漠草原植物群落稳定性。增水处理荒漠草原植物群落稳定性效应大于增水+增氮处理。研究表明,荒漠草原植物群落结构受到氮沉降和降水增加的共同影响。增加降水对荒漠草原植物群落稳定性的积极效应可能会抵消部分氮沉降的消极影响,荒漠草原植物群落地上生物量及群落稳定性可能有所增加。