氮沉降对典型草原生态系统生物多样性与功能过程的影响机制

Nitrogen input through dry and wet deposition into terrestrial ecosystems is increasing rapidly with ever-increasing anthropogenic activities. The increasing N input will have profound impact on the structure and function of natural ecosystems. For instance, it will result in loss of biodiversity and destablize the ecosystem functioning. The applicant established a long-term N deposition experiment in the typical grassland of Inner Mongolia. Based on this platform, we will explore the fundamental mechanisms of the responsiveness of grassland ecosystems to N deposition in different components of the ecosystem, including plants, soil macrofauna and function genes of the soil microbial organisms. This project aims at revealing the multifaceted effects of N deposition on ecosystem structure and function. More importantly, we will focus on the linkages between below- and above-ground processes as affected by the N deposition. We will also evaluate the ecosystem recovery processes after the cessation of N addition. Specifically, the response thresholds, saturation points and the resilience of grassland ecosystem to N deposition will be elucidated. Overall, our study will provide important information on the response of terrestrial ecosystems to N deposition, on the maintenance and conservation of biodiversity, as well as on the adaptive management of one of the largest contiguous biomes on this planet.

随着人类活动强度增加，通过大气干湿沉降输入到陆地生态系统中的含氮化合物日益增多。氮沉降对生态系统的结构和功能可产生重要影响，例如造成生物多样性丧失和生态系统稳定性下降等。申请者于2008年在内蒙古典型草原生态系统建立了一个长期模拟氮沉降研究样地，本项目将以该研究样地为依托，系统研究氮沉降对草地生态系统植物、动物（重点是线虫）、微生物多样性和功能过程的影响及调控机制；同时，研究氮沉降胁迫解除后生态系统的恢复过程。重点研究地上和地下生态过程的联结以及生态系统各个组分对氮沉降的响应，阐明这些组分及其相互作用对氮沉降响应的阈值、饱和值和弹性。该项目对于研究人类干扰对陆地生态系统的影响机理、生态系统生物多样性的功能与维持机制、生物多样性保护和草地生态系统的管理将具有重要的理论和实践意义。

日益增加的大气氮沉降对生态系统的结构和功能可产生重要影响，例如造成生物多样性丧失和生态系统稳定性下降等。目前尚缺乏从多种生物类群角度系统揭示氮沉降影响的研究。本项目依托多个长期野外实验平台，系统地研究了氮沉降对草地生态系统植物、土壤动物、土壤微生物多样性和关键功能过程的影响及其调控机制。同时，研究了氮沉降停止后对生态系统关键性状产生的遗留效应及生态系统的恢复过程。本项目的重要科学发现有：（1）氮沉降频率对植物多样性具有重要影响，生态系统中更少的新物种进入导致了低频氮素添加后更高的物种丢失速率，这是低氮沉降频率情况下物种丢失更多的重要群落学机制；（2）不同的氮素化合物的输入会导致植物物种丰富度的降低，但其作用强度不一致。氮素输入还会导致植物物种均匀度的降低，进而对生态系统功能和过程产生影响；（3）氮沉降导致的土壤酸化能够活化土壤中的锰元素，导致大量的锰被植物吸收，致使杂类草的光合速率下降，使其生存受到威胁，最终导致群落中物种多样性的下降，这是氮沉降导致物种丢失的重要生理生态学机制；（4）草原生态系统的地上、地下、总净初级生产力及其分配情况随着氮沉降量的增加呈非线性响应模式，其中，BNPP和fBNPP在氮素添加量较低时下降迅速，而在沉降量较高时变化很小，说明该生态系统的根系生产力对少量的氮素添加更为敏感。（5）氮沉降通过降低物种的非同步性和种群的时间稳定性进而降低群落生产力的时间稳定性，从而找到了解释氮沉降降低生产力稳定性的内在机制；（6）氮沉降停止后，生产力的恢复要快于群落中生物多样性的恢复。本项目在Ecology Letters、Global Change Biology、Ecology、Journal of Ecology等SCI刊物发表文章21篇，培养博士后和研究生15名。两名博士生的学位论文被评为中国科学院优秀博士学位论文。本项目的研究结果对于研究人类干扰对陆地生态系统的影响机理、生态系统生物多样性的功能与维持机制、生物多样性保护和草地生态系统的管理将具有重要的理论和实践意义。