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。     

内蒙古典型草原不同功能群生产力对凋落物添加的响应

通过连续5年对退化草地进行凋落物添加处理, 分析不同处理强度植物群落动态, 探讨凋落物对草地地上和不同功能群生产力的影响。结果表明: 凋落物添加对草地地上生产力有显著的促进作用, 草地地上生产力随着凋落物添加强度的增加而变化不大。处理效应主要表现在处理后第一年, 重度处理与对照有极显著差异(p < 0.05), 以后几年差异不显著(p > 0.05), 年度间差异极显著(p < 0.001)。凋落物添加对植物群落各功能群生产力无显著影响。年度间不同处理各功能群相对生物量随年际变化的主成分分析(PCA)结果说明: 草地生产力主要是由多年生丛生型禾草与多年生杂类草在生态系统中的竞争补偿作用决定的, 随着凋落物添加强度的增加, 二者的竞争作用减弱, 相关性下降, 多年生丛生型禾草占更大优势, 预示着多年生杂类草与一二年生草本、灌木、多年生根茎型禾草的竞争补偿作用增大。     

Nitrogen addition amplified water effects on species composition shift and productivity increase

增加氮素放大了水分对物种组成变化和生产力提高的影响 水分和氮素是旱地生态系统中的重要资源,二者对群落结构和生态系统功能的影响存在着复杂的交互作用。未来降水(降雨与降雪)变化将如何影响地上净初级生产力(ANPP)尚未研究清楚,尤其是当降水变化与氮沉降引起的氮有效性增加相互结合时。在本研究中,我们探讨了半干旱温带典型草原对增加降水(降雨与降雪)和氮素的响应,包括群落生产力、两种主要植物功能群、多年生根茎禾草(PR)和多年生丛生禾草(PB)的多度和地上生物量的变化。研究结果发现,夏季增雨略微增加了群落的ANPP,显著增加了PR的多度和地上生物量,而对PB的多度和地上生物量没有影响。夏季增雨提高了PR生物量在ANPP中的占比,降低了PB生物量的占比。春季增雪对上述两个植物功能群地上生物量均无显著影响,尽管它对群落ANPP有一定的提高。在夏季增雨条件下,氮素添加显著增加了群落ANPP,主要是由于增加了PR的生物量,说明氮和水分添加对群落ANPP存在较强的交互作用,并在很大程度上通过提高PR生物量来实现。我们发现随着降水量的增加,施氮对生产力的正效应呈非线性增加。上述结果表明,在未来大气氮沉降增加的情景下,降水增加对草地生产力的影响将得到进一步放大。     

去除干扰对内蒙古典型草原植物叶片功能属性的影响

以内蒙古典型草原为研究对象,选取放牧和割草、去除放牧、去除放牧和割草样地进行群落调查和叶片属性测量,比较分析各样地土壤性质、群落生产力及主要物种的比叶面积(SLA,Specific Leaf Area)、叶片干物质含量(LDMC,Leaf Dry Matter Content)、叶片氮含量(LNC,Leaf Nitrogen Concentration)在个体、功能群和群落水平对去除干扰的响应。结果表明,1)去除干扰处理在短期对土壤特性和群落生产力的影响不显著;2)多数物种在放牧和割草样地SLA较低,说明典型草原多数物种的SLA表现为放牧逃避;3)不同功能群植物叶片属性对去除干扰的响应不一致,去除放牧后,多年生杂类草的SLA和LDMC不受影响,但LNC变小;多年生禾草的SLA增加,而LDMC和LNC无显著变化。一年生植物在去除放牧和割草后,LNC显著增加。去除割草后,多年生禾草SLA减小,而多年生杂类草SLA、LNC增加,LDMC减小;4)在群落水平,放牧和割草样地由于较占优势的多年生禾草SLA较低,群落比叶面积最低,在去除放牧和割草样地,群落叶片氮含量显著增加;5)在内蒙古典型草原,LDMC能够很好地将多年生禾草和多年生杂类草区分,SLA在个体、功能群和群落水平均比LDMC敏感。     

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。     

氮素添加对内蒙古退化草原生产力的短期影响北大核心CSCD

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。     

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。     

氮磷养分共同添加促进退化典型草原恢复的机制

土壤养分含量降低是我国草原退化的主要原因之一,养分添加是退化草原恢复的有效措施,但过量养分添加会导致物种多样性降低。为了探讨适宜的养分添加量以及养分添加促进退化草原恢复的机制,本研究选择内蒙古典型草原的退化群落,通过氮(N)磷(P)养分共同添加梯度试验,研究了退化典型草原在群落、功能群和物种3个组织水平上对养分添加的响应。结果表明: 在群落水平,养分添加显著促进了退化典型草原生物量,但没有降低物种多样性;群落生物量随养分添加水平表现为饱和曲线响应,在12.0 g N·m^-2、3.8 g P·m^-2水平趋于饱和;物种多样性在低养分添加水平(N<9.6 g·m^-2、P<3.0 g·m^-2)较对照显著增加,在其余养分添加水平未发生显著变化。在功能群水平,随着养分添加量的增加,多年生根茎禾草在群落中优势度增加,生物量和密度均显著提高;一年生植物生物量和密度在高养分水平添加下显著增加,多年生丛生禾草和杂类草无显著变化。在物种水平,6个物种对养分添加响应不同,羊草通过增加种群密度和个体大小显著增加了种群生物量;大针茅、冰草和糙隐子草种群生物量没有显著变化;星毛委陵菜和黄囊苔草分别因为降低个体大小和种群密度减少了种群生物量。养分添加作为草原恢复的措施,可以显著增加退化草原生物量和物种多样性,降低植物群落中退化指示种,增加多年生根茎禾草。     

凋落物去除和添加处理对典型草原生态系统碳通量的影响

为揭示凋落物去除和添加处理对草原生态系统碳通量的影响, 2013和2014年连续两年在成熟群落围封样地进行凋落物去除实验、在退化群落放牧样地进行凋落物添加实验, 并运用静态箱法探讨碳通量变化规律并分析其主要影响因子。结果表明: 两种群落的净生态系统CO₂交换(NEE)有明显的季节性变化。对成熟群落而言, 去除50%凋落物显著增加了NEE, 去除100%凋落物显著降低了NEE, 而对生态系统总初级生产力(GEP)和生态系统呼吸(ER)均无显著影响; 对退化群落而言, 凋落物添加显著增加了GEP和NEE, 而对ER无显著影响。两种群落的GEP与10 cm土壤温度显著正相关, 但NEE和GEP的变化规律与土壤温度相反, 与10 cm土壤湿度相同。由此可见, 凋落物去除和添加处理对生态系统碳通量的影响主要是改变土壤湿度和地上生物量,而不是改变土壤温度。该研究为合理利用凋落物改善草地生态系统管理和促进草地恢复提供了理论依据。     

Resource enrichment combined with biomass removal maintains plant diversity and community stability in a long-term grazed grassland

长期重度放牧通过加剧水氮限制减少植物多样性与生态系统功能。相反,缺乏放牧干扰(生物量移除)会通过增加光竞争减少物种多样性,从而弱化生态系统稳定性,而这一过程会由于资源富集而加剧。因此,如何维持物种多样性和群落稳定性仍然是世界草原可持续管理的一大挑战。在本研究中,我们在中国内蒙古3个放牧强度的长期实验样地设置了为期4年的控制实验,来探究结合资源添加与生物量移除(同时增加水、氮和光的有效性)对物种丰富度与群落稳定性的影响。研究结果表明,在4年资源添加结合生物量移除处理下,群落初级 生产力增加,同时物种丰富度与群落稳定性能够维持。在物种与功能群水平上,地上生产力能够保持时间稳定性。物种丰富度维持的主要 原因是：在资源富集的情况下,生物量移除能够增加光的有效性。物种异步性与功能群稳定性有助于群落稳定性维持。我们的研究结果表 明,资源添加与生物量移除结合的管理方式,不仅能够增加草地初级生产力,而且能维持其物种多样性、异步性与群落稳定性。在世界范 围内,长期放牧导致的草原退化与资源富集引起的其生物多样性丧失仍将是人类面临的主要生态问题,我们的研究结果对于半干旱草原以 及其它草原的适应性管理具有重要的意义。     

内蒙古温带草原不同放牧强度和围栏封育对凋落物分解的影响

放牧和围封通过影响植物群落结构和土壤微环境来调控草地生态系统的碳循环。该研究在内蒙古温带草原设置轻度放牧后围封、轻度放牧、重度放牧后围封、重度放牧4种样地, 通过测定干旱年(2011年)和湿润年(2012年)地上、地下凋落物产量、质量及其分解速率和土壤养分含量, 分析不同放牧强度对凋落物形成和分解的影响, 以及围栏封育对生态系统恢复的作用。结果表明: 重度放牧地上凋落物产量和分解速率均高于轻度放牧。干旱年轻度放牧样地地下凋落物产量和分解速率高于重度放牧, 湿润年相反。短期围封显著提高了凋落物产量, 轻度放牧样地围封后地上凋落物分解速率和养分循环加快, 而重度放牧样地围封后地上凋落物分解减慢。因此, 与重度放牧相比, 轻度放牧草地的恢复更适合采用围栏封育措施; 而重度放牧草地的恢复可能还需辅以必要的人工措施。降水显著促进地上、地下凋落物形成和分解。地下凋落物的生产和分解受降水年际波动影响较大, 重度放牧草地对降水变化的敏感度比轻度放牧草地高。地上凋落物分解速率与凋落物N含量显著正相关, 与土壤全N显著负相关, 与地上凋落物C:N和木质素:N相关性不大; 地下凋落物分解速率与凋落物C、C:N和纤维素含量显著负相关。该研究结果将为不同放牧强度的草地生态系统恢复和碳循环研究提供理论依据。     

Effects of grazing intensity and grazing exclusion on litter decomposition in the temperate steppe of Nei Mongol,China

Aims Grazing intensity and grazing exclusion affect ecosystem carbon cycling by changing the plant community and soil micro-environment in grassland ecosystems. The aims of this study were: 1) to determine the effects of grazing intensity and grazing exclusion on litter decomposition in the temperate grasslands of Nei Mongol; 2) to compare the difference between above-ground and below-ground litter decomposition; 3) to identify the effects of precipitation on litter production and decomposition. Methods We measured litter production, quality, decomposition rates and soil nutrient contents during the growing season in 2011 and 2012 in four plots, i.e. light grazing, heavy grazing, light grazing exclusion and heavy grazing exclusion. Quadrate surveys and litter bags were used to measure litter production and decomposition rates. All data were analyzed with ANOVA and Pearson’s correlation procedures in SPSS. Important findings Litter production and decomposition rates differed greatly among four plots. During the two years of our study, above-ground litter production and decomposition in heavy-grazing plots were faster than those in light-grazing plots. In the dry year, below-ground litter production and decomposition in light-grazing plots were faster than those in heavy-grazing plots, which is opposite to the findings in the wet year. Short-term grazing exclusion could promote litter production, and the exclusion of light-grazing could increase litter decomposition and nutrient cycling. In contrast, heavy-grazing exclusion decreased litter decomposition. Thus, grazing exclusion is beneficial to the restoration of the light-grazing grasslands, and more human management measures are needed during the restoration of heavy-grazing grasslands. Precipitation increased litter production and decomposition, and below-ground litter was more vulnerable to the inter-annual change of precipitation than above-ground litter. Compared to the light-grazing grasslands, heavy-grazing grasslands had higher sensitivity to precipitation. The above-ground litter decomposition was strongly positively correlated with the litter N content (R² = 0.489, p < 0.01) and strongly negatively correlated with the soil total N content (R² = 0.450, p < 0.01), but it was not significantly correlated with C:N and lignin:N. Below-ground litter decomposition was negatively correlated with the litter C (R² = 0.263, p < 0.01), C:N (R² = 0.349, p < 0.01) and cellulose content (R² = 0.460, p < 0.01). Our results will provide a theoretical basis for ecosystem restoration and the research of carbon cycling.     

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。     

草地利用方式对温性典型草原优势种植物功能性状的影响

当外界环境发生变化后植物能够改变自身功能性状及时调整适应策略, 因此植物功能性状能够有效地反映植物对草地利用变化的响应, 然而在内蒙古草原从植物功能性状角度开展草地利用方式影响的研究略少。该研究以内蒙古典型草原大针茅(Stipa grandis)、羊草(Leymus chinensis)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)和冷蒿(Artemisia frigida) 4种主要优势种为研究对象, 探讨在长期自由放牧、割草、短期围封和长期无干扰的影响下优势种植物功能性状的差异, 以期从功能性状视角, 揭示植物在受到外界干扰后的适应策略, 旨为天然草地的可持续管理提供基础数据支持和科学依据。结果表明: 1)除糙隐子草外, 在长期放牧后内蒙古典型草原优势植物植株高度、根长和植物碳氮含量降低, 这些性状的变化能够使植物个体小型化, 适口性降低, 表明植物通过逃避放牧的策略适应长期自由放牧的干扰; 在割草管理方式下, 优势种的高度和比叶面积有增加的趋势, 其中冷蒿的氮含量对割草响应最敏感, 其根、茎、叶中的氮含量均在割草样地最低; 围封和长期无干扰处理下植物的碳氮含量增加, 表明在干扰强度降低后, 植物通过功能性状的改变从资源获取策略向资源储藏策略转变。2)对优势种功能性状集合分析表明, 糙隐子草具有较低的植株高度和较高的比叶面积, 冷蒿具有较高的木质素含量和氮含量, 这些性状能够使两种植物被家畜采食量减少, 并保证其具有较强的再生能力, 这可能是糙隐子草和冷蒿耐牧的原因; 大针茅具有最高的植株高度、最大的叶片干物质含量, 以及最高的茎、叶纤维素含量, 说明大针茅是非常典型的竞争物种, 在干扰较低的条件下, 大针茅采取竞争策略对其他物种产生较大的竞争压力可能是其占优势的重要原因。     

物种多样性和功能群多样性与生态系统生产力的关系——以内蒙古短花针茅草原为例

生物多样性与生态系统生产力之间的关系是当前生态学领域的热点问题。短花针茅(Stipa breviflora)草原是内蒙古荒漠草原的主要类型, 生态系统脆弱, 气候波动剧烈, 研究内蒙古短花针茅草原生物多样性与生产力的关系具有十分重要的意义。该研究在内蒙古短花针茅草原区设置了202个样地进行群落调查, 在干旱区及半干旱区两种资源供给下, 分析了物种丰富度、功能群丰富度与生产力的关系, 旨在解决两个科学问题: 1)物种多样性和功能群多样性中, 哪一种与生产力关系更为密切?2)资源供给对多样性和生产力关系的影响。结果表明: 1)物种丰富度、群落生产力与年降水量呈正相关关系, 而功能群丰富度与年降水量之间不存在显著相关性; 2)群落生产力随物种丰富度的增加而增加, 且两者间呈正线性关系, 功能群丰富度与生产力之间不存在显著相关关系; 3)资源供给会影响多样性与生产力之间的关系, 资源供给低时, 多样性对生产力贡献较低, 资源供给高时, 多样性对生产力的贡献较高。该研究丰富了多样性与生产力关系的研究, 同时, 考虑到植物功能性状的研究在近几年受到生态学家的重视, 且多数研究集中于小尺度的人工控制实验, 因此, 在大尺度自然生态系统中开展功能性状多样性与生态系统功能关系的研究将十分必要。     

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。     

氮添加量和施氮频率对温带半干旱草原土壤呼吸及组分的影响

日益加剧的氮沉降已经对陆地生态系统生产力和碳循环过程产生了显著影响。草原生态系统近90%的碳储存在土壤中, 明确土壤呼吸及其组分对氮添加的响应对评估大气氮沉降背景下草原生态系统碳平衡和土壤碳库稳定性是非常重要的。以往关于草原土壤呼吸对氮沉降响应的理解多是基于短期(<5年)和低频(每年1-2次)氮添加实验研究, 而关于长期氮添加和不同施氮频率对土壤呼吸及其组分的影响尚缺乏实验证据。该研究基于2008年建立在内蒙古半干旱草原的长期氮添加实验平台, 包括6个氮添加水平和2个施氮频率处理, 通过连续两年(2018-2019年)土壤呼吸及其组分的测定, 发现: 1)氮添加显著降低了土壤总呼吸速率(R_s), 且R_s下降程度随着氮添加量的增加而增强。土壤异养呼吸速率(R_h)的显著下降是R_s下降的主要原因。2)不同氮添加频率并未显著影响土壤呼吸及其组分对氮添加处理的响应。3)长期氮添加造成的土壤酸化降低了土壤微生物活性并改变了微生物群落结构(真菌/细菌比), 进而导致土壤呼吸及其异养组分呈现显著的负响应。以上结果表明, 长期(>10年)氮添加对土壤地下碳循环过程的抑制作用非常明显, 特别是异养呼吸组分的下降会降低土壤有机碳分解速率, 有助于土壤碳库稳定性的维持。同时, 随着氮添加处理时间的延长, 不同施氮频率影响效应的差异减弱, 表明目前长期的低频氮添加实验监测数据可以为评估自然生态系统对大气氮沉降的响应提供较为可靠的参考。     

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。