氮沉降对内蒙古草原植物化学计量内稳性、群落结构和生产力的影响及其机理

Previous studies showed that nitrogen deposition significantly affected community structure, biodiversity and productivity. However, the mechanism is still not clear. Recent studies in Inner Mongolia grassland suggest dominant plant species have greater stoichiometric homeostasis - that is, the ability to maintain their elemental composition of nitrogen and phosphorus despite variation in the elemental composition of available resources - than those that are uncommon in the community. Furthermore, ecosystems dominated by homeostatic plant species have been shown to be more productive and stable. However, it is unclear the extent to which plant species within a community may vary in their stoichiometric homeostasis, whether nitrogen deposition may alter stoichiometric homeostasis of plant species, and what consequences these alterations may have for community structure and function over time. Here, we address these gaps in our understanding by first assessing variation in stoichiometric homeostasis of 12 plant species in the long term nitrogen addition experiment in Inner Mongolia grassland. We then utilize a sand culture experiment to test whether the variation of stoichimetric homeostasis will be inherited by planting the seeds from the Nitrogen addition experiment. Finally, we explore the implications of alterations in stoichiometric homeostasis of plant species for plant community structure, biodiversity and function.

氮沉降会造成群落结构和生产力的变化以及生物多样性下降，然而其机理尚不清楚。内蒙古草原的研究表明，化学计量内稳性高的植物具有较高的优势度和稳定性，内稳性高的生态系统生产力和稳定性也较高，这说明化学计量内稳性是草原生态系统结构、功能和稳定性维持的重要机制。长期氮沉降是否会改变植物的化学计量内稳性，并通过化学计量内稳性的变化影响草原生态系统的结构和功能呢？该问题至今仍然是个谜。本项目将利用内蒙古草原生态系统国家野外观测研究站长期氮添加实验平台，分析氮添加对群落物种组成、生物多样性和生产力的影响，以及对化学计量内稳性的影响，并通过沙培实验培养长期氮添加实验中植物的种子，研究化学计量内稳性的变化是否可以遗传。最后，通过这些变化，从化学计量内稳性角度，分析氮沉降造成群落结构、生物多样性和生产力改变的机理。

随着工业化的发展，氮沉降增加了两倍以上，带来了一系列的生态问题，土壤酸化、富营养化、生态系统结构改变、生物多样性下降。申请人在内蒙古草原建立了长期氮添加实验平台，围绕该平台并结合相关实验与合作者研究了氮添加对植物-土壤-微生物相互关系、植物养分含量、植物养分回收、生态系统稳定性、土壤呼吸、植物多样性、植物化学计量内稳性的影响。.结果表明：（1）氮添加显著降低了土壤pH，改变了植物群落。然而土壤pH下降而不是植物群落的改变，与微生物群落组成的改变和微生物呼吸的下降具有更加紧密的关系。这些结果表明，氮添加消弱了植物和微生物的关系，微生物从养分限制转变成pH限制。研究结果突显了植物-土壤-微生物系统在研究氮沉降对生态系统功能的影响中的重要作用。（2）在自然N水平下，植物的N、P浓度和N:P在物种和群落水平都没有受到P输入的显著影响；而在N添加情况下，P输入导致该群落中的优势植物叶片N浓度增加，几乎所有物种的P浓度增加，群落的P库也增大。N沉降可能促进了温带半干旱草原植物的P吸收，因此，N沉降导致的P限制对植物生长的影响可能没有预期的严重。（3）豆科灌木与邻近草本植物之间氮素传递依赖于草本植物的地下养分获取机制。通过固氮作用为生态系统引入更多氮素，豆科灌木将深刻改变了原生草地群落的物种组成。（4）低强度的氮添加显著增加了土壤呼吸，然而高强度的氮添加显著降低了土壤呼吸，这主要是因为不同强度的氮添加对地下生物量和微生物量有不同的影响。（5）长期氮添加显著降低了羊草的内稳性指数，但是对灰绿藜没有显著的影响，对种子的培养发现，羊草内稳性指数的变化不能遗传给后代。.本项目系统研究了氮沉降对草原生态系统的影响，对更好的保护草原生态系统，维护国家生态安全，促进牧区经济发展和社会稳定具有重要意义。