养分添加对退化草地植物群落结构的影响及其生态学机制

Deficiency of nitrogen (N) and phosphorus (P) is the main characteristic of the soil nutrient status in grassland of northern China. The limiting factor of the net primary productivity of grassland is commonly N deficiency; however, it is transferring from N to P limitation or N and P co-limitation under enhanced nitrogen deposition. Previous studies have indicated that nutrients addition can relieve the limitation effectively. However, the effect of nutrients addition on plant community structure and dominant species succession is still unclear. The mechanism is divergent of nutrient competition hypothesis, light competition hypothesis and functional properties of dominant species hypothesis. This project plans to study the impacts of different types of nutrient addition (i.e. N addition, P addition, NP addition and chicken manure addition) on the degraded grassland in Hunshandake Sand Land. Based on the difference of plant community structure under the four types of nutrient addition, we will analyze the changes of community structure and successions of dominate species after nutrient addition (mono- vs. compound elements). Meanwhile, we will test the possible hypothesis by analyzing the soil nutrient condition, micro-environment inside plant community and functional properties of dominant species. The objective is to illustrate the ecological mechanism of nutrient addition effects on the vegetation community structure of degraded grassland. This study could provide ecological theory for the rational use and effective management of grassland, and technical support for restoration of degraded grassland.

我国北方草地土壤以缺磷少氮为特征，养分失衡是草地退化的主要驱动因子。长期以来，氮素是限制草地净初级生产力的主要养分因子，但随着氮沉降的增加，氮限制正逐渐转为磷限制或氮、磷共同限制。已有研究表明，养分添加能够有效提升净初级生产力，但其对植物群落结构和优势种更替的影响尚不确定；在影响机制上，也存在养分竞争力差异、光竞争能力差异和优势种功能性状差异等假说。本项目以浑善达克沙地草地生态系统为研究对象，在系统比较氮添加、磷添加、氮磷添加和鸡粪添加处理的植物群落结构差异的基础上，研究退化草地在养分添加后（单一 vs. 复合）植物群落结构的变化和优势种植物的更替，并通过比较分析土壤养分条件、群落内微环境和优势种功能性状，验证上述假说，阐明养分添加对退化草地植物群落结构影响的生态学机制。本项目的研究结果将为草地的合理利用、有效管理及退化草地的修复提供理论依据和技术支撑。

我国北方草地土壤以缺磷少氮为特征，养分失衡是草地退化的主要驱动因子。长期以来，氮素是限制草地净初级生产力的主要养分因子，但随着氮沉降的增加，氮限制正逐渐转为磷限制或氮、磷共同限制。养分添加能够有效提升净初级生产力，但其对植物群落结构和优势种更替的影响尚不确定。本项目在内蒙古浑善达克沙地设计开展了养分添加实验，以鸡粪量500 kg·hm-2·a-1为梯度设置了7个养分添加处理（0 ~ 3000 kg·hm-2·a-1）。实验结果表明，养分添加显著提高豆科植物草木犀叶片的养分含量，随着养分供应量的增加，草木犀叶片内的氮（N）、磷（P）、钾（K）含量均呈线性增加，并与养分供应量成正比；适量养分添加促进群落种豆科植物的生长，当鸡粪添加量在1 500 kg·hm–2·a–1时，旺盛生长季草木犀的株高（H）和比叶面积（SLA）较零添加处理的升高幅度分别达到51%和18%。然而，随着鸡粪添加量的继续增加，H和SLA则下降。这说明养分添加是提高植物群落净初级生产力的有效方式，同时也会改变群落中关键植物个体的功能性状。.鸡粪在自然条件下易被分解转化，易被植物吸收，是提高植物生产力的首选有机肥。然而，天然草地往往面积巨大且地势起伏不平，施肥无法有效开展。项目组根据养分添加实验结果进一步开展了生物实验，以低密度小群体散养方式开展120天左右的牧鸡生产活动，每年为退化草地施入约1 500 kg·hm–2的干鸡粪。结果表明，鸡在草地放牧过程中最喜食藜科植物（如灰绿藜），其次喜食豆科（如花苜蓿和斜茎黄耆）和菊科植物（如蒲公英），对禾本科的喜食程度较低，喜食程度受粗纤维、粗蛋白和粗脂肪的显著影响。鸡对草地植物的日采食量在3 ~ 9 g 干物质之间，约占日总采食量的3.8 ~ 11.3%。牧鸡显著提高退化草地的净初级生产力，对退化草地物种多样性的影响不显著。这说明利用牧鸡开展生物施肥在退化草地具备可行性，自由活动的鸡充当了“施肥机”的角色，随走随排，为贫瘠的退化草地土壤提供快速养分补给，可以显著提高土壤营养的可利用性，从而促进植物的生长。