典型沙质草地植物细根碳氮磷化学计量特征及其对氮素添加的响应

Stoichiometry of C:N:P could explicitly show the relative relationships of carbon, nitrogen, and phosphorus in organism, which is essential to understand the dynamic balance between environmental nutrient supply and nutrient demand in organism. As we know, fine root dynamics is the key process in carbon budget of plant individual and carbon cycles of terrestrial ecosystems. Therefore, understanding C:N:P stoichiometry in fine root is an effective way to reveal underground nutrient allocation and cycle in terrestrial ecosystems. However, C:N:P stoichiometry in fine root was not paid more attentions at the present, as well as its response to global change. In this project proposal, firstly carbon and nutrient concentrations in dominant plant fine root and soil will be surveyed to calculate the C:N:P stoichiometry in Kerqin Sand Land. The objectives are to 1) reveal the relations between C:N:P stoichiometry in fine root and soil nutrient concentrations; 2) compare the variations of C:N:P stoichiometry in fine root among different plant functional groups and different plant formations. Secondly, responses of C:N:P stoichiometry in fine root to nitrogen deposition will be studied by simulating different nitrogen deposition rates in the field of sandy grassland. The purpose of this experiment is to elucidate variations and homeostasis of C:N:P stoichiometry in fine root of major plants in Kerqin Sand Land with increasing of nitrogen deposition in the future. As a whole, it is expected that some experimental evidences will be achieved to understand the plant strategies of nutrient utilization and response of carbon-nitrogen biogeochemistry cycles to global change in the future if the project proposal is financed by NSFC.

C:N:P化学计量比能明确地反映出三种元素在生物体内的相对关系，这对于认识环境养分供应和生物体养分需求之间的动态平衡具有重要作用。细根在整个植物的碳氮收支和生态系统水平的碳和养分循环中占有重要地位，细根C、N、P元素的化学计量关系是认识地下生态系统碳氮分配和循环的重要途径。但是关于植物细根C、N、P计量关系及其对全球变化相关因素的响应的研究目前并不充分。本项目以科尔沁沙质草地主要植物为研究对象，通过测定植物细根C、N、P含量以及土壤的相关养分含量，分析沙质草地不同群系主要群丛植物细根C:N:P比率和群丛内土壤养分含量的关联性；比较不同功能群及群系植物C:N:P比率的异同。然后通过模拟不同氮沉降速率的方法，分析沙质草地草本植物细根C:N:P比率的变异特征对氮素添加的响应。为进一步认识沙质草地主要植物的养分利用对策以及未来气候变化下沙质草地生态系统的碳氮生物地球化学循环的响应过程提供实验依据。

生态化学计量学是研究生态过程和生态作用中化学元素平衡的科学，尤其是C、N、P元素之间的化学计量关系。目前，尽管有关陆地生态系统C、N、P生态化学计量学的研究日益增多，并且取得了一些重要的研究成果，但相关的研究仍然处在起步阶段,尤其是针对植物细根碳氮磷化学计量特征的研究。因此，我们以科尔沁沙质草地植物群落为研究对象，通过野外调查和人为氮素添加控制试验揭示典型沙质草地植物细根C、N、P生态化学计量关系以及N沉降增加对细根C:N:P比率关系的影响。研究结果表明： 1）科尔沁沙地植物细根N、P含量近似等于叶片平均氮、磷的1/2，说明在干旱贫瘠的沙地生态系统中，植物根系吸收养分后对养分的分配更侧重于地上部分；而且，叶片与细根的N/P并无显著差异，具有明显的保守性，反映了植物地上和地下养分吸收与分配比例的一致性；2）不同生活型间植物叶片和细根的C、N、P及其化学计量比存在显著差异，杂草类植物具有较高的叶片N、P含量，禾草类植物具有较高的叶片的C/N、C/P，一年生杂类草和禾草类植物叶片的N/P较低，表明不同生活型植物对养分的适应策略不同；3）科尔沁沙地植物叶片和细根间的C、N、P及化学计量比均有显著的正相关关系，但不同生活型植物的相关性有差异，反映了植物体在生长代谢过程中的整体性以及光合产物与养分在地上、地下部分之间分配的一致性；4）不同退化阶段沙地草地植被地上部和细根碳氮磷化学计量关系与土壤氮磷含量存在相关关系，说明植物碳氮磷化学计量特征受土壤环境因素的调节，但是植物N/P具有保守性，不受沙地草地退化程度的影响；5）科尔沁沙地优势植物养分回收效率与土壤有效养分含量存在密切联系，说明养分再吸收利用是贫瘠环境中的植物适应养分胁迫的重要机制。项目执行期间，共发表论文 13 篇，其中 SCI 收录 5 篇，国内核心期刊收录 8 篇；申请并获批专利3项，软件注册权登记1项。培养博士研究生1 人，硕士研究生3名。