温性荒漠草原不同功能型草本植物对氮沉降的生理生态响应

Nitrogen (N) deposition-induced changes of the structure and function of grassland ecosystems have become a global hot spot. The impact of N deposition to grassland ecosystems directly acts on herbaceous plants with different functional groups (PFGs) such as annuals, perennial grasses, and forbs by altering the number and abundance of species. However, physiological and ecological responses of PFGs to N deposition are largely unknown, especially in terms of water-limited desert ecosystems. In this proposal, we select PFGs of typical temperate desert steppe from Shapotou area in Ningxia to examine N response by combined methods of long-term site-specific observation under ambient environment as well as monoculture pot experiment with co-addition of water and N. The specific objectives of the present study are to (1) determine changes of PFGs in species number, abundance, coverage, and biomass allocation in response to N addition gradients and natural precipitation patterns; (2) compare the differences among PFGs in photosynthetic rate, chlorophyll content, and soluble protein content; (3) examine stoichiometric characteristics on N use efficiency for PFGs; and (4) reveal physiological and ecological mechanisms on N deposition for PFGs from desert steppe. At last, we aim to provide a scientific basis for studying on desert ecosystems in response to global change.

由氮沉降诱发的草地生态系统结构和功能的改变已成为全球变化研究的热点。基于物种数和多度改变的不同功能型草本植物（一年生植物、多年生禾本科植物、多年生非禾本科植物）是氮沉降影响草地生态系统的直接作用对象。然而不同功能型草本植物对氮沉降的生理生态响应，尤其是在受水分胁迫的荒漠生态系统中它们将如何响应，其机制仍然不明确。本项目拟以宁夏沙坡头地区温性荒漠草原不同功能型草本植物为研究对象，通过野外氮素添加长期定位观测和盆栽单培养氮-水耦合控制实验相结合的方法，研究荒漠草本植物在不同氮素水平和降水格局下的物种数、多度、盖度和生物量分配上的变化，比较不同功能型草本植物在光合速率、叶绿素含量及可溶性蛋白等生理指标上的差异，探明不同功能型草本植物对氮素利用的化学计量学特征，揭示荒漠草原植被不同功能型草本植物的氮沉降生理生态响应机制，为进一步深入研究荒漠生态系统应对全球变化提供科学依据。

大气氮沉降增加导致的草地生态系统结构和功能的改变已成为全球变化研究的热点，而不同功能型草本植物（一年生草本植物AS、多年生禾本科植物PG、多年生非禾本科植物PF）是氮沉降影响草地生态系统的直接作用对象。为了研究荒漠化草原区（年降水量<200mm）不同功能型草本植物对氮沉降的生理生态响应过程，本课题以不同功能型草本植物为研究对象，通过人工添加不同浓度氮素（0、1.75、3.5、7和14gN m-2yr-1）的方式模拟大气氮沉降，研究草本植物群落特征、土壤理化属性、酶活性及植物光合特性等，主要研究结果如下：（1）AS的丰富度、多度和生物量均在低氮水平下显著高于对照，而高氮水平对AS的影响则不显著。PG和PF的丰富度、多度和生物量均随着氮素添加水平的増大而逐渐下降，其中高氮水平对PG和PF的抑制作用最显著；（2）盆栽单培养实验表明AS 根部和地上部的氮素含量在所有氮素水平下均显著高于不添加氮素的对照；PG 和PF的根部氮素含量均是在中、高氮的添加水平下显著高于对照，地上部的氮素含量均是在高的氮添加水平下显著高于对照；而中等浓度的氮素添加水平有利于PF植物叶片光合色素（叶绿素a、b、a+b和类胡萝卜素）含量的最大化。（3）土壤中不同形态的氮素（全氮、速效氮、铵态氮和硝态氮）含量均随着土壤中氮素添加水平的增大而增加，氮素的增加导致了土壤电导率的显著增加，但是对土壤pH的影响在统计学上差异不显著，而高的氮素添加水平可显著抑制土壤水分的含量。（4）外源氮素的添加会对土壤酶活性产生明显的抑制作用，土壤脲酶、蔗糖酶、脱氢酶和过氧化氢酶的活性均随着土壤中氮素添加水平的增大而降低，且各土壤酶均存在明显的季节变化。总体而言，氮沉降的增加对荒漠化草原区草本植物群落物种组成的改变是在自然降水的条件下，土壤中氮素增加所引起的土壤的理化性质、微生物学特征以及植物的生物学特征的变化所导致的。