干热河谷草地植物-土壤反馈的化学计量学机制

Our previous study showed that litter turnover time was significantly related to concentration of some elements beyond nitrogen and phosphorus in plants from one arid-hot valley. This indicated that these elements might limit nutrient return from plant to soil. Can availabilities of these elements affect plant C:N:P stoichiometry and productivity via regulating the process of plant-soil feedback and cycles of nitrogen and phosphorus? To answer this question,we will carry out a research in this project relying on field experimental platforms with the treatments of plant species and element addition respectively. We will focus on the dominant plants in savanna grassland from the arid-hot valley to investigate the effect of interspecific variation of plant element concentrations (especially concentrations of those elements beyond nitrogen and phosphorus) and exogenous elemental addition on regulating the process of plant-soil feedback, identifying the limited elements in biogeochemical cycles, unravelling how these elements will affect the subsequent changes of ecosystem productivity and plant C:N:P stoichiometry, revealing biogeochemical mechanism of the coupling of multiple elements. The results will enhance our understanding of the biogeochemical cycle of carbon, nitrogen and phosphorus in ecosystem from this arid-hot valley, and potentially will provide a scientific support to ecosystem management in this area.

前期研究结果表明，干热河谷地区凋落物周转时间与植物氮磷以外的某些元素含量具有极大的关联，意味着这些元素可能会限制植物对土壤的养分返还。那么这些元素是否可以调节植物-土壤反馈过程，影响氮磷元素的循环，最终作用于植物C:N:P化学计量特征和生产力呢？围绕这一问题，本项目以干热河谷萨瓦纳草地中的优势植物为对象，依托野外控制实验平台，通过物种配置和元素添加处理，探讨植物体元素（特别是氮磷以外的其它元素）含量种间差异和外源元素添加对植物-土壤反馈的调控作用，确定其中的限制性元素，阐明这些元素对生态系统生产力与植物C:N:P化学计量特征时间变化的影响机制，揭示多元素耦合的生物地球化学机制。研究结果将有助于认识干热河谷生态系统碳氮磷生物地球化学循环，可在一定程度上为该地区生态系统管理提供科学支撑。

植物化学计量学特征具有重要的生态系统功能，是连接植物生长与土壤养分循环的重要纽带。本项目以干热河谷优势草本植物为对象，探索了植物物种对土壤养分、微生物活性、微生物群落结构、土壤酶活性的影响；探究了植物-土壤化学计量学反馈机制。结果表明，植物物种可以影响土壤碳氮含量，土壤总碳、总氮含量与植物茎叶中养分含量种间差异有关。总体上，养分含量较高的物种下土壤碳氮含量也越高。土壤微生物活性也呈现了相似的趋势。其次，样方中植物叶片N含量的年份差异与叶片初始化学计量学特征具有显著的相关性，叶片N含量变化与样方叶片初始的N、P含量显著正相关，与叶片初始C:P、N:P显著负相关。叶片N含量年份差异与土壤氮素水解酶（几丁质酶和亮氨酸胺肽酶）活性正成比关系，而叶片N:P差异与亮氨酸胺肽酶活性显著正相关。土壤亮氨酸胺肽酶活性与初始叶片C、N、P含量显著正相关，与叶片N:P显著负相关；几丁质酶活性与初始叶片P含量显著正相关。以上结果表明，样方中植物通过化学计量学性状影响了土壤N水解酶活性，反过来影响了植物化学计量学特征的年份变化，形成了植物-土壤养分反馈系统。项目研究结果表明植物化学计量学特征在干热河谷养分循环中具有极为重要的作用，并可以由此影响其自身的动态变化。基于植物养分含量种间差异对于土壤养分功能与植物化学计量学特征动态变化的重要影响，在干热河谷退化土壤生态系统功能的恢复中应优先选择养分含量较高的植物物种。发表论文11篇，培养博士1人。