温带草原地下植物繁殖体库与地上植被关系及其对水分和氮素变化的响应

The regeneration of vegetation and its responses to environmental change mainly rely on propagule bank (bud bank and seed bank) as its basic species pool. Bud bank and seed bank recruit the vegetation by vegetative tillers and seedlings respectively, while the established vegetation will input seeds into seed bank, and support bud prodcution by its photosynthate. Bud bank and seed bank will thus tradeoff each other indirectly via vegetation, underlying which may be the reproductive allocation as a regulating mechanism. Aimed at the current knowledge gap in this area, we will adopt large-scale transect survey, manipulative field experiment and pot experiment, analyze the large-scale geographical pattern and its relations to the gradient of precipitation and soil nitrogen, uncover the interrelationship among seed bank, bud bank and established vegetation in terms of species and functional group composition, clarify the tradeoff between seed bank and bud bank, and the underlying mechanism of reproductive allocation, reveal the mechanism of propagule bank features responding to the changes of water and nitrogen, elucidate the relative contribution of seed bank and bud bank to the population maintenance and vegetation recruitment. These tasks are of great significances not only for the the initiation in the theory of vegetation regeneration, cummunity assembly and succession, but also for the scenario prediction and restoration of the chinese grassland under the context of climatic change.

植被的自然更新及其对环境变化的响应，主要是以潜在群落即繁殖体库（芽库和种子库）为基本物种库。芽库和种子库分别以芽萌蘖出土和种子萌发形成实生苗补充到植被中，而植被则通过产生种子输入到种子库，同时通过光合产物支撑芽的产生。芽库与种子库之间通过植被而间接形成一种以植物繁殖分配为调控机制的权衡关系。针对当前研究的缺陷，本项目拟以我国温带草原为研究对象，以大尺度样带考察、定位控制实验和盆栽实验相结合，深入分析种子库、芽库的大尺度空间地理格局及其对水分、氮素梯度变化的响应，着力研究种子库、芽库与地上植被之间的关系以及种子库与芽库之间权衡关系的繁殖分配机理，剖析繁殖体库特征对水分、氮素变化的响应机制及其对植被的影响，阐明种子库和芽库在种群维持和植被更新中的相对贡献，不仅对植被更新与演替理论创新有重要意义，而且对全球变化情景预测和草原植被恢复也有重要的实践价值。

在中国温带的干旱半干旱草原，芽库是植被更新的主要来源，但相对于种子库研究，芽库研究严重滞后，因此，本项目以我国温带草原为对象，以大尺度样带考察与定位控制实验相结合，深入分析芽库的大尺度空间地理格局以及草原芽库对放牧、降水变化、氮沉降（氮素变化）的响应，结果如下：（1）草原地下芽库密度随着年均降水量或干旱度增加而先上升后下降，拐点在MAP=260mm和Aridity=0.67，然而随年均温升高呈线性下降。总芽库中，由分蘖芽和双子叶草本植物芽所占比例随干旱度增加呈无规律波动，而根茎芽和鳞茎芽所占比例分别在气候梯度的湿润端和干旱端较高。此外，据不同芽库类型的分布判断，鳞茎芽和丛生禾草的分蘖芽比根茎芽对环境胁迫具有更好的抵抗性。（2）在传统放牧体制（同时进行放牧和割草）下总芽库密度为2,444 ± 141 buds•m-2，而混合放牧体制（放牧和割草每年交替进行）下总芽密度为1,872 ± 109 buds•m-2，前者高于后者约30%, 但是总芽密度均不受放牧强度影响；在混合放牧体制下，放牧显著降低根茎芽和鳞茎芽密度；三种根茎型植物即羊草、冰草和寸草苔的芽库密度随放牧强度增加而分别呈现下降、升高和无响应的物种特异性变化。因此，地下芽库可能具有更强的放牧耐受性，芽库对于放牧响应的类型和物种特异性意味着芽库变化是植物群落动态的重要机制。（3）氮沉降降低总芽库密度，而增加降水及其与氮沉降交互则无显著影响；禾草与杂类草对模拟全球变化的响应有差异，例如，禾草的芽库密度在氮沉降条件下被促进，却受到增加降水处理的抑制，而杂类草芽库响应则相反；5个优势物种对模拟全球变化的响应具有物种特异性。因此，氮沉降能够抑制地下芽库扩增，而且不同物种对全球变化的响应具有明显的物种特异性，且禾草与杂类草芽库的差异化响应将导致植被组成及其对全球变化影响的缓冲能力改变。上述成果不仅对植被更新与演替理论创新有重要意义，而且对全球变化情景预测和草原植被恢复也有重要的实践价值。