硫添加对典型草甸草地土壤养分有效性和植物物种多样性的影响

Atmospheric sulfur (S) deposition results in enhanced ecosystem S inputs and soil acidification. Previous studies rarely focused on the effects of S deposition on plant species diversity and ecosystem net primary productivity in grasslands. Given the fact that plant nutrient uptake differing among species, exogenous S inputs and soil acidification can increase availability of some nutrients while decrease the others’. In this context, nutrient completion and acid stress will influence plant community composition and diversity under enriched S scenarios. This project will apply different levels of S to a typical meadow steppe in Erguna Forest-Steppe Ecotone Ecosystem Research Station. Considering nutrient availability as the potential determinant, the project will investigate the effect of S addition on soil acidification, nutrient availability, nutrient uptake traits of different species, above- and belowground productivity, plant community composition and diversity. We aim to clarify the relationships between nutrient uptake traits of different species and soil nutrient availability, and to reveal the mechanisms for changes in plant diversity by studying nutrient competition among plant species and soil acidification. We will also determine the contribution of the different plant species to the alteration in ecosystem productivity and the allocation traits of above- and belowground biomass. The project will help to provide supporting data for constructing and improving the responding models of meadow steppes to S deposition, and to support theoretical evidence for protecting the meadow steppe from degradation.

大气硫沉降致使陆地生态系统硫输入量增加并导致土壤酸化，但目前关于硫沉降对草地物种多样性和生产力的影响尚缺乏系统研究。外源硫输入和土壤酸化可增加有些养分的有效性，降低另一些养分的有效性，不同植物物种对养分具有差异性吸收特性，养分竞争和酸胁迫均可能会对草地物种组成及多样性产生影响。为此，本项目以典型草甸草地为研究对象，依托中国科学院额尔古纳生态站建立的不同梯度元素硫添加实验，以养分资源有效性为切入点，研究硫添加对土壤酸化、养分有效性、不同植物物种养分吸收利用、地上和地下生产力、物种组成及多样性等的影响，明确不同物种养分吸收与土壤养分有效性关系，解析物种间养分资源竞争、土壤酸化对物种多样性变化的影响机制，探讨不同物种对地上生产力的相对贡献以及生态系统地上地下生产力分配。研究结果将为建立和完善草地生态系统对硫沉降响应模型提供数据支撑，为北方草甸草地保护提供理论依据。

大气硫沉降致使陆地生态系统硫输入量增加并导致土壤酸化，是全球变化生态学和生态系统生态学研究的热点问题，但关于硫沉降对草原物种多样性和生产力的影响方面缺乏系统研究。本项目依托草甸草原硫添加试验，以土壤养分资源有效性和植物养分吸收为切入点，系统研究了草原物种多样性对硫添加和土壤酸化的响应机制，得到如下主要研究结果和结论：（1）硫添加导致土壤酸化，提高N、P、S、Fe、Mn、Cu的生物有效性，降低Ca、Mg、B、Mo的生物有效性；硫添加降低土壤可溶性碳氮比和碳磷比，提高真菌的相对丰度和真菌细菌比，微生物通过调节元素获取和分配策略来适应土壤酸化和养分限制，并改变植物-微生物养分利用的互馈关系；（2）与禾草相比，杂类草叶片元素对硫添加处理的响应更为敏感；硫添加增加植物群落叶片P、S含量，对K、Na、Ca、Mg含量无显著影响，Fe、B、Mo对硫添加呈非线性响应，杂类草Fe、Mn 吸收存在显著拮抗效应；种内及种间变异对群落元素变化的贡献因元素而异，S、Mn元素具有显著的种内变异，表明群落组成以及优势物种对环境变化具有较强的抗性；N、P元素显著的种间变异，揭示物种周转在长期硫添加导致的土壤酸化下将加剧草地植物N、P 元素的失衡；（3）硫添加降低物种多样性，竞争力较弱的杂类草、稀有种/常见种丰富度的下降是驱动物种丰富度下降的主要因素，支持随机丧失假说和禾草-杂类草假说；硫添加导致功能丰富度和分散度的增加，功能离散度的降低。土壤N、S有效性、群落叶片Mn元素积累、酸化胁迫、功能多样性（功能离散度的下降）共同解释了物种多样性下降的原因。（4）硫添加有利于耐酸物种（根茎禾草-羊草）和养分获取能力强的物种（莎草科-寸草苔）生长，这类物种的地上生物量对硫添加表现为中性和正向响应，而耐酸能力相对较弱的丛生禾草和杂类草在群落中的相对生物量显著下降。本研究明确了硫沉降背景下草原生态系统土壤-植物-微生物养分互馈关系，可为草原生物多样性保护、生产力维持、草原管理实践等提供理论依据和数据支撑。