模拟氮沉降对内蒙古温带草原植物水分利用效率及其与植物化学计量特征关系的影响

Dramatic increases in atmopheric nitrogen (N) deposition due to human activities have serious affected ecosystem structure and function. Based on a two-frequencies (high frequency, monthly vs. low frequency, twice per year) crossed with nine-rate (0, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20 and 50 g N m-2 yr-1) of N additions in Inner Mongolia grassland, we focus on the flexibility of plant long-term water use efficiency, plant nutrient stoichiometry and the changes of tradeoff-relationship between them in the face of increasing nitrogen availability . Our experiment can provide basic data on ecosysytem water-nutrient coupling cycles chages with the face of increases in N inputs.

日益加剧的人类活动导致大气氮沉降持续增长，对生态系统的结构和功能造成严重影响。大量研究关注了氮素添加可利用性的变化对生物多样性和群落的影响，而氮沉降对植物长期水分利用效率和N:P的相互制约关系关注甚少。本研究以内蒙古草原两种C3植物羊草（Leymns chinensis）、大针茅（Stipa grandis）和C4植物糙隐子草（Cleistogeness quarrosa(Trin.)Keng）为研究对象，采用两种氮输入频率（高频率：每月一次和低频率：一年两次）、九个氮素添加梯度（0、1、2、3、5、10、15、20和50g N m-2 yr-1）的野外控制实验，关注氮沉降对植物长期水分利用效率、植物化学计量特征及两者间制约关系（trade-off relationship）的影响。为评估植物对氮沉降的资源适应策略提供科学依据。

内蒙古典型草原是我国重要的生态屏障和畜牧业生产基地，该生态系统生产力受氮素限制，并且对氮素的有效性极为敏感。由于人类活动导致的氮沉降持续增加，可能影响该生态系统的结构和功能。植物的碳同位素组成（δ13C值）、化学计量特征值（C:N:P）反映了植物长期的水分和养分利用效率，并且可通过级联效应进一步影响生态系统的结构和功能。本区域植物对氮沉降的适应与响应机制的前期研究多是基于一年一次或两次的施氮实验结果，并不能准确提供大气氮沉降增加对生态系统功能和服务的影响。基于在内蒙古草原生态系统定位研究站附近的两种频率（高频率：每月一次vs.低频率：半年一次）和九个氮素添加量（0、1、2、3、5、10、15、20和50g N m-2 yr-1）的野外控制实验，结果显示：.（1）氮素添加显著增加了三种植物的N浓度、P浓度、N:P比值及δ13C值，降低了三种植物的C浓度、C:N比值、C:P比值。氮素添加对植物长期水分利用效率和养分利用效率的影响结果相反。.（2）氮素添加频率、氮素添加频率与氮素添加量的交互作用对所有植物的养分浓度及化学计量特征值均存在显著影响。在某些较高的氮素添加浓度，三个物种的养分浓度和化学计量特征比值在两种氮素添加频率间均存在显著差异。氮素添加频率、氮素添加频率与氮素添加量的交互作用对所有植物的δ13C值存在显著影响，且高频率氮素添加下的δ13C值显著高于低频率氮素添加。我们的研究结果说明之前的低频率氮素添加会高估或低估真实氮沉降对草原生态系统的影响。.（3）羊草、大针茅和糙隐子草通过不同的生理对策来应对氮沉降量的增加，羊草和糙隐子草沿氮素添加梯度，始终维持较高的WUE是以降低NUE为代价的。而氮素添加导致的大针茅WUE与NUE变化率显著小于羊草和糙隐子草，在较低的氮素添加量下，大针茅在维持较高WUE的同时仍能维持较高的NUE，这一特征使大针茅可以广泛分布于更加干旱和贫瘠的地区；但是当氮素添加量继续增加，超过5g N m–2 yr–1后，大针茅也会以降低NUE为代价来维持较高的WUE，以满足生长需要。