蒙古高原草原生物多样性的格局与维持机制研究：控制实验与野外调查相整合的多尺度途径

本项目以蒙古高原的温带草原为研究对象，通过对样带调查和控制实验数据的多尺度整合分析，在多个尺度上揭示蒙古高原草原生物多样性的格局，及其在气候、土壤、放牧、火烧等因子综合作用下的维持机制；利用内蒙古草原生态系统国家野外科学观测研究站建立的放牧、火烧和养分添加长期实验平台，通过对基于植物个体的物种功能性状和多个生态系统过程的连续观测与研究，揭示功能性状、物种多样性、功能多样性和生态系统多功能性之间的内在联系，以及它们对放牧、火烧和养分添加的响应与适应机制；阐明不同人类活动干扰方式和强度下生态系统稳定性（变异性、抗性、弹性）的维持机制，以及各种生态系统功能之间的相互依赖性和权衡关系；沿不同组织层次和营养级水平，探索生态系统各组分之间的调控与反馈机制；为指导我国退化草地恢复、适应性生态系统管理和生物多样性保育提供科学依据。

生物多样性与生态系统功能的维持机制是近年来生态学研究的热点。国际上有关生物多样性与生态系统功能维持机制的研究，多数以人工草地为研究对象，只考虑一个营养级水平，生态系统功能的测度也仅限于初级生产力或少数几个属性，其相关理论和结果不仅在学术界引起了很大争议，同时也难以外推到自然生态系统。为此，本项目以蒙古高原温带草原为研究对象，采用样带调查和控制实验相整合的手段，在区域尺度上，把蒙古高原作为完整的地理单元，设置了三条研究样带、93个样地。在局地尺度，依托放牧、氮素添加和草原火生态三个长期实验平台，强化了不同生物多样性组分和多个生态系统功能及环境要素的同步观测，为揭示蒙古高原生物多样性与生态系统功能的维持机制，提供了更详实的野外调查和实验数据支持。取得的重要研究成果包括：.第一、水分是蒙古高原土壤生物群落分布格局的主要驱动因子。基于区域尺度样带调查和水分控制实验的研究结果发现：1）蒙古高原土壤微生物群落的空间格局主要受降水和土壤养分的影响, 而线虫群落则主要受水分影响；2）沿水分梯度从草甸草原到荒漠, 水分对土壤微生物群落的影响逐渐减弱，而对土壤线虫群落的影响则逐渐增强；3）水分添加同时增加了土壤微生物和线虫的生物量，但土壤线虫比微生物对水分的响应更加敏感。.第二、长期放牧改变了蒙古高原草原生态系统功能和C:N:P化学计量特征。通过对中-蒙边境18个长期禁牧和过度放牧样地的比较研究发现：1）放牧显著增加了植物地上、地下生物量和凋落物的N含量，降低了C:N比，改变了生态系统的N循环；2）不同草原类型中，草甸草原植物C:N:P化学计量关系对放牧的响应最敏感，而典型草原植物对放牧的响应较小，荒漠草原植物对放牧无明显响应，表明沿水分梯度不同植被类型对放牧的响应机制不同；3）生态系统C:N:P化学计量关系改变主要是由于植物叶片N、P含量和植物功能群组成的改变引起的。.第三、氮素添加对草原生态系统生物多样性的影响具有尺度依赖性。基于氮素添加实验连续10年的研究结果发现：1）氮素添加引起的生物多样性丧失具有尺度依赖性。当取样面积>8m2时，物种丧失数随着取样面积增加而降低；2）物种丧失的尺度依赖性主要是由于氮素添加改变了种-面积曲线(S=cAz)的斜率引起的；3）由于氮沉降是在区域乃至全球的尺度上发生的，忽视生物多样性丧失的尺度效应，可能大大高估氮素对全球生物多样性丧失的影响。