利用15N自然丰度法和15N示踪法揭示内蒙古典型草原植物的氮吸收喜好

Nitrogen uptake preferences are critical to understand ecosystem nitrogen cycling and to predict plant responses to future environmental changes. Some studies have revealed that plants preferred nitrate in the drier environments and preferred organic nitrogen in the nitrogen-limited environments. Yet little is known about what nitrogen preferences will be shown in the nitrogen and water co-limited typical grassland in Inner Mongolia. It was found that species dominance was closely correlated with nitrogen preference, with the dominant species using the most abundant nitrogen form that was present in soil. It remains unknown whether such relationships occur in this study area. In the proposed study, we will employ in situ 15N natural abundance experiment and 15N tracer techniques in Inner Mongolia grassland and greenhouse settings, respectively,to address these questions. We will select eleven plant species, including dominant species, common species, rare species and accidental species, to assess and quantify nitrogen uptake preferences of different plants. Together with natural soil nitrogen supply, we will further elucidate the relationship between nitrogen preference and species dominance, and uncover the role of nitrogen preference in species composition of community. These findings have important implications in facilitating grassland management and restoration, and predicting and understanding the changes in community composition and structure caused by global climatic change.

植物氮吸收喜好对于理解生态系统氮循环、预测植物对未来环境变化的响应及生态系统管理非常重要。有报道表明植物在较干旱环境中喜好吸收硝态氮，在氮限制的生境中喜欢吸收有机氮；那么在氮和水共同限制的内蒙古典型草原，植物会表现出怎样的氮喜好？另有研究指出物种优势度与氮喜好密切相关，表现为优势物种利用土壤中最丰富的氮形态，这样的关系是否也发生在内蒙古典型草原？为回答以上问题，本项目将15N自然丰度法（野外原位实验）和15N示踪法（室内水培实验）相结合，选择内蒙古典型草原不同优势度的11个物种（优势种、常见种、稀有种和偶见种）为研究对象，量化各种形态的无机氮和有机氮对植物氮的贡献；此外结合土壤氮供给水平，探讨植物氮吸收喜好与物种优势度的关系，揭示氮喜好在群落物种组成中的作用。这些结果将有助于当地的草地管理和恢复；有助于预测和理解全球气候变化可能引起的群落物种组成和结构的变化。

该课题以我国北方温带草原不同优势度植物（优势种、其他常见种和稀有种）为研究对象，将15N自然丰度法和15N示踪法相结合，量化各种形态土壤氮对植物氮的贡献，探讨植物氮吸收偏好在群落物种组成中的作用。目前已顺利完成了课题预定的研究内容，实现了预期研究目标，已接收和发表SCI论文7篇（按中科院分区，Ⅰ区5篇，Ⅱ区1篇，Ⅲ区1篇），现处于返修论文1篇。研究发现植物氮吸收偏好对物种多度分布和群落物种组成具有重要而深远的影响。该课题选择了3个样点，多伦未围封草地的研究表明15N自然丰度法和15N示踪法相互验证、结果一致，常见物种主要利用土壤中较丰富的氮形态（硝态氮），稀有物种则倾向于利用土壤中较贫瘠的氮形态（铵态氮）。额尔古纳草地的研究也发现相似结果，这在一定程度上表明常见和稀有物种区分氮吸收具有普遍性。此外，对多伦的两个样点进行比较，围封和未围封草地，植被结构类似，但是土壤无机氮浓度不同，铵态氮和硝态氮的比例也不同。在未围封草地，硝态氮是较丰富的氮形态，常见物种主要利用硝态氮；而在围封草地，铵态氮是较丰富的氮形态，常见物种则主要利用铵态氮。稀有物种的氮吸收则没有随着环境变化而改变。上述结果表明：（1）在温带草地，常见物种主要利用较丰富氮形态，稀有物种倾向于利用较贫瘠氮形态；（2）常见物种的氮吸收具可塑性，稀有物种则没有；（3）为物种多度分布，即“自然界中多数物种为稀有物种，仅有少数物种能够成为常见物种”，提供一种新的机制解释。这些结果暗示全球变化导致的土壤氮形态和浓度发生变化，很可能并不会引起群落物种组成的变化，因为常见物种（包含优势物种）在氮素利用策略方面的可塑性，能够在不同的优势氮源之间转换，始终保持其在群落中的优势地位。今后需要更多的研究依托全球变化模拟实验平台，探讨资源划分在建立生物多样性和生态系统功能关系中发挥的作用。