草地群落系统发育及功能性状多样性对长期水分和氮素添加的响应及其与生态系统功能和稳定性的关系

My previous NSFC project showed that the structure and stability of grassland communities were different between the steppe and old field, and were significantly affected by water and nitrogen treatments. However, it is unknown whether these relatively short-term findings still hold over longer timescales. Phylogenetic diversity and functional trait diversity, as two important dimensions of biodiversity, determine the diversity of resource utilization of a community, and can be the better predictors of ecosystem functions than species diversity; both metrics are influenced by local environmental conditions. However, the related studies on grassland ecosystems are still lacking. Based on the results of the previous project, we plan to continue the field experiment conducted in a steppe and an old field grassland in Inner Mongolia. We will explore the response patterns of plant community structure and stability to long-term water and nitrogen addition in different grasslands. We will test the responses and related mechanisms of plant phylogenetic and functional trait diversity to long-term water and nitrogen addition by constructing phylogenetic tree and functional trait tree basing on measures on gene sequences and functional trait values of each plant species found in our experimental area. The relationships of phylogenetic diversity and functional trait diversity with grassland ecosystem function and stability will also be determined. This study aims to explore the mechanisms of responses of grassland ecosystems to environmental changes from the angles of phylogenetic and functional traits diversity, and to provide scientific data for biodiversity protection and grassland management.

通过青年科学基金项目的研究发现，水分和氮素处理对不同草地的群落结构和稳定性都产生了影响。但生态系统长期的响应规律会发生怎样的变化还有待检验。群落系统发育多样性和功能性状多样性决定着群落的资源利用策略多样性，相对于传统的物种多样性能更好地解释生态系统功能的变化，并且受环境变化的影响，但在草地生态系统中缺乏相关的研究。本项目以青年科学基金项目的研究为基础，以内蒙古草地野外控制实验平台为依托，拟通过长期的实验处理，探明不同草地群落结构和稳定性对长期水分和氮素添加的响应规律；通过测定物种基因序列及功能性状指标，揭示长期水分和氮素处理对不同草地群落系统发育多样性和功能性状多样性的影响及机理；阐明系统发育多样性和功能性状多样性与草地生态系统功能及稳定性之间的关系。本项目旨在从系统发育及功能性状多样性角度揭示草地生态系统对环境变化的响应机理，为生物多样性的保护和草地管理提供科学依据。

模型预测本世纪末我国北方夏季降水量将增加，大气氮沉降在未来几十年也会持续增长。前期的研究证实短期降水及氮沉降增加都会对我国北方草地群落结构和功能产生显著影响。然而，长期氮、水增加对生态系统的影响是否有别与短期效应并不确定。模型研究和在人工草地的实验通常认为多样性是决定植物群落生产力及稳定性的重要因子，且系统发育多样性和功能多样性的作用往往大于物种多样性。然而，这些结论是否适用于自然生态系统还有待实验验证。本项目以我国北方草原开展的长期控制实验为依托，利用野外调查结合室内测试的方法，系统研究了草地植物群落生物多样性、生产力、稳定性对氮沉降和生长季降水增加的响应，以及三者之间的关系，并探讨了草地土壤理化、生物学性质及其与植物群落之间的关联。通过四年的研究，顺利完成了预定的研究任务，达到了预期研究目标，获得以下主要结果：（1）首次通过控制实验揭示了氮、水有效性通过改变物种不同步性驱动天然草原系统稳定性的生态学机制；增水提高了群落对干旱的抵抗力但降低了其恢复力，增氮则降低了群落抵抗力；（2）发现短期增水产生植物—土壤养分正反馈，提高了草原生产力；长期增水造成氮损失加剧了氮限制，导致生产力不再增加；氮、水有效性直接和间接通过改变植物功能性状多样性驱动着生产力；增水促进植物根系生长，而增氮抑制其生长，氮、水添加都提高了表层土壤中根系的比例，改变了根系的垂直分布；氮、水添加影响凋落物的降解和养分周转；（3）发现天然草原和弃耕草地群落组成相似度随氮添加降低、随水分增加提高，表明氮、水在退化草地恢复演替中的重要性；（4）明确了资源变化对土壤元素循环、微生物结构和功能以及地上与地下相互作用的影响。上述结果提高了我们对温带草地生态系统响应全球变化的机理认识，有助于校准模型参数进而更精确地预测未来气候变化对草地系统的影响，对于改善草地保护和管理措施，提高应对气候变化的能力具有重要指导意义。