氮沉降对草甸草原优势植物和群落光合特性的影响：光限制和离子毒害作用的实验验证

Nitrogen deposition deeply affects the structure and function of terrestrial ecosystems. At present, light limitation and ion toxicity are the main hypotheses for interpreting the mechanism of nitrogen deposition effecting on the change of community diversity and productivity. However, powerful experimental test of these hypotheses is limited. Photosynthesis of species and community is the basis of plant growth and dry matter accumulation, and it is closely related to nitrogen. This proposal will apply different forms and doses of nitrogen compounds to add large-scale field experiment in Hulun Buir meadow steppe in Inner Mongolia. The photosynthetic physiological characteristics of dominant plants and plant community, plant growth traits and soil physical and chemical properties （especially manganese and aluminum ions） will be measured synchronously under different nitrogen added treatments. The results from integrated analysis of above indexes are to test light limitation and ions toxicity hypotheses. In the meantime, the relative contribution of light limitation and ion toxicity influencing on community photosynthesis under different nitrogen deposition treatments will be clear. Accordingly, the photosynthetic mechanism of nitrogen deposition resulting in altering of plant diversity and productivity will be revealed, and it will provide theoretical evidence for the sustainable management of biodiversity protection and productivity improvement in grassland.

氮沉降大范围的影响着陆地生态系统的结构与功能，目前主要有光限制和离子毒害两种假说解释氮沉降影响群落多样性和生产力变化的机制，但亟待有力的实验验证。物种和群落光合作用是植物生长和干物质积累的基础，并与氮素密切相关。本项目以内蒙古呼伦贝尔草甸草原作为研究对象，通过不同形态、不同剂量含氮化合物添加的大型野外控制实验，对不同氮添加处理下优势种和群落的光合生理特征、植物生长性状以及土壤理化性质（尤其是锰和铝离子）等进行同步观测，并对上述因素进行整合关联分析，验证光限制假说和离子毒害假说，同时解析不同氮添加处理下光限制和离子毒害效应对群落光合作用影响的相对贡献，从而揭示氮沉降导致草原植物多样性和生产力变化的光合作用机制，为草原生物多样性保护和生产力提升的可持续管理提供理论依据。

氮沉降大范围的影响着陆地生态系统的结构与功能，光限制和离子毒害两种假说是解释氮沉降影响群落多样性和生产力变化的重要机制，但亟待有力的实验验证。本项目以内蒙古呼伦贝尔草甸草原作为研究对象，在不同形态、不同剂量含氮化合物添加的大型野外控制实验平台上同步测定了不同氮添加处理下羊草、贝加尔针茅、菊叶委陵菜、披针叶黄华等4种优势种和群落的光合生理特征、植物生长性状以及土壤理化性质，结果表明氮添加量为30gN/m2/year时，4种植物和群落的光合特征和出现峰值，不同氮素化合物处理间差异不明显。随着氮素化合物梯度的增加，4种植物的叶面积、比叶面积显著增大，叶片干物质含量降低，羊草和贝加尔针茅的叶绿素含量升高。氮添加显著增大了4种植物叶片全氮含量，显著降低了羊草、贝加尔针茅和披针叶黄华的叶片全磷含量，对4种植物体叶片碳含量均没有显著的影响。氮添加使羊草和贝加尔针茅叶片的脯氨酸含量增加，两种植物的非结构性碳水化合物及其组分的含量在降水较多年份较降水较少年份高。表层土壤有效氮、有效磷、全氮含量随着氮添加梯度的增加呈现上升趋势，土壤有机碳和全磷含量的响应不显著，硝酸铵对于土壤有效氮含量的促进作用优于尿素。土壤pH随氮添加剂量的增加而降低，土壤酸化导致金属离子活化，表层土壤中Al、Fe、Mn、Cu离子含量显著增加，不同氮素化合物处理间土壤表层离子含量差异显著。植物群落物种丰富度随氮添加剂量增加显著降低，植物群落地上生物量随着氮添加剂量的增加显著增加，30gN/m2/year左右时最高。氮沉降导致富营养化引起光资源竞争加剧和土壤酸化产生离子毒害对植物群落多样性与生产力具有显著影响，结构方程模型表明光限制对植物群落多样性和生产力影响更大。本项目为草原生物多样性保护和生产力提升的可持续管理提供理论依据。