氮素添加对高寒草甸群落组分种化学计量特征的影响及禾本科优势度升高的机制

Global climate change and human activity has been increasing the alpine meadow ecosystem nitrogen (N) input, lead to changes in species composition and community structure. Studies have shown that graminoids tends to make a positive response to the increase of N application, and enhance dominance in the community. However, discuss of its internal mechanism is relatively lacking. In this project, N addition and 13C and 15N stable isotope labeling experiments are to be applied on an alpine meadow in the eastern Qinghai-Tibetan Plateau. Plant C:N:P stoichiometric, morphological characteristics of individual plant and their leaves, biomass distribution and the concontration of labeled stable isotopes are to be explored to discuss the variety of ecological stoichiometry, nutrient absorption capacity and photosynthetic ability among species in the alpine meadow, and to clarify the growth strategy and adaptation mechanisms for the gramineous. The expected results are to lay a good foundation for inproving the herbage yield and grassland quality, and to provide scientific basis for ecosystem restoration and adaptive management in the alpine meadow.

全球气候变化及人类活动促进了高寒草甸的氮素输入，引起物种组成和群落结构发生变化。氮素输入的增加往往提高禾本科植物的优势度，但其作用机制仍需揭示。本项目拟以青藏高原东缘的高寒草甸为研究对象，通过氮素添加和13C、15N稳定同位素标记的方法，分析比较物种的C:N:P生态化学计量特征、植株和叶片形态特征、生物量分配以及13C、15N含量，讨论高寒草甸不同物种生态化学计量特征、养分吸收能力以及CO2同化能力的差异。结合物种生态化学计量特征及地下、地上资源竞争过程的研究，试图阐明禾本科植物对N素添加积极响应的生长策略及适应机制。对上述问题的揭示，将为高寒草甸牧草产量的提高及草场质量的改善，以及生态系统的恢复和适应性管理提供科学依据。

本项目以青藏高原东缘的高寒-亚高寒草甸为研究对象，通过养分添加和13C稳定同位素标记的方法，分析比较不同功能群物种的生态化学计量特征、植株和叶片形态特征、生物量分配以及δ13C含量。结合植物生态化学计量特征及地下、地上资源竞争过程的研究，阐明禾本科植物对限制性养分添加积极响应的生长策略及适应机制。本项目研究得到了以下主要结论：.1）与植株高度主要由茎干支撑的非禾草类植物相比，禾本科植物具有更大的叶重比例及株高/质量比，即在同等的资源和能量下，能够获得更大的植株高度和叶片生物量，使光竞争能力得到增强，而光竞争能力的增强进一步促进其资源和能量的积累。该地区限制性养分（氮）的添加，削弱了地下养分竞争的强度，地上资源竞争的竞争加强，因而禾草类的植株特征使其对氮素添加作出快速而有效的响应。此外，光竞争的增强引起了禾草类对其他部分物种的竞争排除，为了保持该地区物种的多样性，建议通过添加养分获得更高生物量的同时，增加适当类型、强度或频次的干扰，以降低冠层的郁闭度，缓解冠层下层物种所受的光竞争压力。.2）禾草类尤其是禾本科植物的植株高度和最大净光合速率均高于非禾草类植物；N添加增强了禾草类植物的光合特征，而对非禾草类无促进作用或起抑制作用；Si添加处理下，所有物种的净光合速率上升；此外，非豆科植物的叶片N含量均沿着N素添加梯度显著提高。以上数据再次验证了禾草类（禾本科）垂直生长的叶片结构，是支撑禾草类获得更大株高、获取更多能量的竞争策略。.3）对于禾草类和杂类草植物，13CO2标记的物种叶片δ13C含量均与植株高度显著正相关，且N添加处理提高标记叶片的δ13C含量；随着时间的推移，叶片δ13C含量逐渐下降并接近自然含量，但至次年生长季末植物叶片、群落根系中δ13C含量仍高于未标记样方。综上所述，植株高度仍然是物种同化能力的重要指标。