垫状植物正相互作用的土壤养分机理

The cushion plant is one kind of widespread plants in alpine area, whose engineering effect can facilitate to other alpine plants, improve species diversity of plant community, so cushion plants were called as the nurse plant in alpine ecosystem, but the maintaining mechanism about that was kept unclear. One of the hypothesis is that cushion plant can facilitate to improve the availability of soil nutrition, which will enhance the plant species diversity in alpine ecosystem. We take nitrogen as the key factor because which was the important limited factor for alpine plant productivity, and take the Androsace tapete as an example, N transformation and their uptake pattern will be measured inside and outside the cushion plant, net N mineralization measured in situ by resin-core technique, Gross N mineralization and nitrification rates measured by 15N pool dilution technique, role of cushion plant litter decomposition on nutrition cycle will be investigated with 15N labeling cushion litter, and N uptake competition between plant-plant and plant-microorganism will be measured by a short-term 15N labeling experiment. We presume to the nutrition mechanism of cushion plant facilitation and develop the theory of biodiversity in alpine area through our experiment.

垫状植物是高寒生态系统的庇护物种，具有显著的正相互作用，是高寒区域植物多样性维持的重要机制。其中的一种理论假设是垫状植物可以通过增加土壤养分有效性，并改变植物的养分生态位而促进受惠物种的生长，增加局部植物的多样性。但垫状植物是如何影响土壤养分并改变受惠植物的养分利用模式的？目前还不清楚。本项目拟以限制高寒生态系统植物生长的关键养分-氮为主要因子，以青藏高原广泛分布的垫状点地梅（Androsace tapete）为研究对象，采用原位培养法和15N稀释法测定垫状植物对土壤氮转化的影响，通过15N示踪技术量化垫状植物枯叶分解对土壤可利用氮的贡献、解析垫状点地梅和受惠植物对氮素的竞争能力以及它们同土壤微生物对氮素的竞争状况，探讨垫状植物对受惠植物养分获取模式的影响，阐明垫状植物正相互作用的土壤养分机理，丰富和发展高寒区域植物多样性维持理论。

垫状植物的正相互作用是促进高寒区域植物生长和群落物种多样性组成的重要机制，其中对土壤养分的改善是重要的途径之一，但垫状植物增加土壤养分有效性的机理是什么，以及如何影响共生植物的养分利用？本项目以限制高寒生态系统植物生长的关键养分-氮为主要因子，以青藏高原广泛分布的垫状点地梅（Androsace tapete）为研究对象，在西藏当雄念青唐古拉山脉南坡开展了一系列实验，对点地梅内外土壤的氮矿化动态进行了测定，并比较了土壤酶的活性和微生物群落结构；通过15N同位素标记实验，测定了垫状点地梅对共生植物氮素利用特征的测定，结果表明（1）垫状点地梅通过垫状体改变土壤微环境，不但增加了局部的土壤水分含量和温度，同时也改变了土壤酶的活性和微生物群落组成，进而改变了氮矿化速率和方向增加了土壤中养分的有效性，尤其是铵态氮的含量。（2）改变了共生植物对不同形态氮的利用模式，首先垫状点地梅与共生植物对不同形态氮的利用存在显著的差异，产生了养分生态位分化；其次垫状点地梅显著降低了3种共生植物对有机氮的吸收，尤其是黑褐苔草（Carex atrofusca）对甘氨酸的吸收均降低了10%左右，但提高了共生植物对铵态氮的吸收，降低了对硝态氮的吸收，这种养分生态位的分化有利于多种植物共生，提高局部的物种多样性。（3）野外实地调查结果也表明，垫状点地梅可以显著改善草地局部土壤养分含量，其中有机质和总氮（N）分别增加了16.2%和18.9%；局部土壤含水量提高约12%；样方内的物种丰富度（S）、Shannon-Wiener指数（H）和Simpson指数（D）都随着垫状点地梅盖度的增加而成增加的趋势。以上结果表明，垫状点地梅在高寒草地中具有显著的生态系统工程师效应，通过异化土壤微环境，不但增加了土壤养分的有效性，还改变了共生植物的养分利用模式，提高了群落的物种多样性，在高寒生态系统中应加强保育。