高和低频率氮添加模拟氮沉降对植物多样性影响的比较

Dramatic increases in atmospheric nitrogen (N) deposition due to human activities have posed serious threat to biodiversity, ecosystem structure and function worldwide. However, the frequencies and doses of N input in ecosystems are apparently different between N fertilizer addition (infrequent) and atmospheric deposition (frequent), implying previous N addition experiments may lead to biased assessment on ecosystem functions in response to the effects of atmospheric N deposition. High frequency of N addition has been used to stimulate the effects of N deposition on ecosystems in recent years, but the potentially contrasting effects of the frequencies of N addition on ecosystems have less been tested. Based on a nine-rate (0, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, and 50 g N m–2 yr–1) and crossed with two-frequencies (high frequency, monthly vs low frequency, twice per year) of N additions in Inner Mongolian grassland, we will try to tease apart these potentially contrasting effects on species richness and species biological process (new species colonization and old species extinction) with field experimental data sets and explore these possible mechanisms for maintaining biodiversity under N deposition. Moreover, our study will further assess the accuracy for the effects of atmospheric N deposition on biodiversity through controlled low frequency of N addition experiment. Results from this project will provide scientific information to more accurately assess the effects of N deposition on ecosystems. Our program also can provide scientific knowledge and instructions on plant biodiversity conservation and cultivated pasture establishment in with the face of increases in N inputs by both N fertilizer application and atmospheric N deposition.

日益增长的大气氮沉降将会导致生物多样性降低，进而影响到生态系统结构和功能。外源性氮添加的模拟氮沉降实验（低频率）在氮输入模式上与大气氮沉降（高频率）存在明显差异。虽然有用高频率氮素添加以模拟大气氮沉降效应，但仍缺少高、低频率氮添加之间的比较研究，导致对低频率氮添加实验是否能准确评估大气氮沉降的生态效应并不清楚。本项目将以内蒙古典型草原生态系统为研究对象，基于两种对比氮输入频率（高频率：每月一次vs.低频率：半年一次）、九个氮素添加量（0、1、2、3、5、10、15、20和50 g N m–2 yr–1）的野外控制实验，从物种定植（colonization）和物种丧失（extinction）两个方面，探讨氮添加频率和添加量对生物多样性的效应是否存在显著差异及相关机理。通过开展本项目，可为准确评估氮沉降效应提供可行的实验设计范式，并进一步准确揭示氮沉降对生物多样性的影响规律及其维持机制。

大气氮沉降增加的生态效应突出表现在导致生物多样性降低和植物群落发生改变，以及生态系统稳定性变化。氮沉降如何降低生物多样性主要是基于外源性氮素添加的模拟实验结果。然而，氮素添加与大气氮沉降的氮在进入生态系统的过程（频率和每次的量）存在显著差异，使得低频率氮素添加实验可能高估了氮沉降情景下的生物多样性降低程度。然而,导致低频率氮添加实验中高估生物多样性降低的物种定植（colonization）和物种丧失（extinction）两个过程和相关机制仍不明晰，尤其缺乏长期数据支撑。另外，长久以来，生态学家们认为生物多样性会增加生态系统稳定性。然而，在人类大量使用氮素和大气氮沉降增加背景下，这种正相关的生物多样性––稳定性关系是否仍然存在？基于在内蒙古草原生态系统定位研究站附近的两种频率（高频率：每月一次 vs. 低频率：半年一次）、和九个氮素添加量（0、1、2、3、5、10、15、20和50 g N m–2 yr–1）的野外六年控制实验，结果显示：.1) 低频率多样性丧失更快是由于进入群落新物种降低导致的（即在低频率氮素添加下，物种定植更少）；群落中原有物种丧失的速率与氮素添加频率并未发现显著的相关关系。氮素添加量会降低新物种定植的能力却会增加群落中原有物种丢失的风险。(Zhang et al 2016 Functional Ecology, 30: 1247-1256).2) 对于生态系统稳定性，氮素添加量而不是添加频率显著影响到生态系统稳定性。.生态系统稳定性、种群稳定性、生物多样性和物种非同步性随氮素添加量的增加均显著降低。氮素添加和生物多样性对生态系统稳定性存在共线性效应。另外，氮素添加情景下，物种非同步性仍然驱动生态系统稳定性。(Zhang et al 2016 Global Change Biology, 22: 1445-1455).3) 氮素添加情景下的长期割草管理（一年一次实际割草）会加速生态系统稳定性的降低。(Zhang et al 2017 Functional Ecology 31: 1637-1646).由于本实验研究结果支持环境因子对生态系统功能和稳定性的影响可能高于生物多样性效应。因此，进一步明晰全球变化因子对生物多样性的影响对理解其对生态系统功能的维持意义重大。