模拟增温和氮沉降对高山林线交错带灌丛植物―土壤C、N、P生态化学计量关系的影响

全球变化下，元素在生态系统中的运移过程和耦合作用更为复杂。生态化学计量学作为生态学研究的新兴领域，其为深入揭示元素在生态系统中的平衡和循环机理提供了一种新的研究思路。本研究拟选择青藏高原东缘高山林线交错带主要植被类型高山灌丛作为研究对象，采用OTC人工增温和施氮的方法开展增温和氮沉降实验。通过对升温、氮沉降及其交互作用下植物叶片（凋落物）―土壤(微生物)中C、N、P生态化学计量关系的比较研究，结合植物生理特性、凋落物分解状况和土壤矿化等生态过程变化情况，明确升温、氮沉降及其交互作用对高山林线交错带灌丛生态系统C、N、P生态化学计量关系的影响程度，并揭示为维持生态系统元素生态化学计量平衡地上和地下组分生态过程间的相互作用机制，从而对未来全球变化下高山生态系统的变化趋势作出评估。研究结果有助于认识全球变化下高山地区植物―土壤相互作用的养分调控因素，进而为这一地区生态系统的管理和保护提供指导。

本研究以青藏高原东缘高山林线交错带的主要植被类型高山灌丛作为研究对象，采用OTC人工增温和施氮的方法，开展增温、不同水平氮沉降及其交互作用实验。在实验中，运用生态化学计量学的基本原理和方法，探讨了增温、氮沉降及其交互作用下高山灌丛的优势灌木（蒙古绣线菊）和草本（太白韭）以及土壤的C:N:P关系，同时也测定了土壤微生物群落对增温、不同水平氮沉降及其交互作用的响应。其主要实验结果为：短期内增温不能显著促进样方内两种植物生长和地面生物量积累，而低氮（5g m-2 a-1）和中氮（15 g N m-2 a-1）及其增温+低氮却能明显刺激植物异速生长。对于植物叶片的C:N:P，增温、施氮及其交互作用有着不同的效应。其中，单独增温轻微的提高了蒙古绣线菊和太白韭叶片的C:N和C:P，这表明短期内增温对林线灌丛植物叶片的生态关系影响有限，其生态效应还需要长期观察。低氮、中氮和增温+低氮处理显著降低了植物叶片的C:N，这表明外源N输入，缓解了这一区域的N限制情况。同时，在这三种处理下，植物叶片中的C:P和N:P都显著上升，这表明由于植物的快速生长对磷的需求增加导致P的需求更加突出。其中，植物叶片的N:P从对照下的小于14变化至超过14，这意味着在氮相对充裕情况下，P是植物增温和氮沉降大背景下的主要限制元素。另一方面，植物叶片中P的内吸收率也在施氮和增温+低氮条件下提高，这表明了植物对P的需求增加。对于土壤而言，增温没有明显改变土壤C:N:P，而施氮以及增温和施氮的复合作用都显著降低了土壤的C:N，提高了C:P和N:P，这也暗示着土壤中N的矿化速率上升，反之，P的矿化速率下降。通过对P进行形态分级，施氮以及增温和施氮的复合作用使得土壤中活性磷的含量降低，中等活性有机磷库减少，这也表明植物在这几种处理下迅速生长，对土壤中P的需求增加，从而导致土壤中有效磷和有机磷库降低。氮添加能显著改变土壤微生物群落结构，显著降低了真菌/细菌。增温和施氮对微生物群落的交互作用，主要是通过改变土壤和植物的相关性质间接影响到土壤微生物群落结构。整个实验初步揭示了高山林线灌丛生态系统对增温和施氮及其交互作用的响应机制，对于未来管理和保护高山生态系统提供了较为重要的理论依据。