山地湿性常绿阔叶林附生植物的生物固氮及其对环境变化的响应

Biological nitrogen fixation (BNF) is the primary source of N within natural ecosystems. The montane moist evergreen broad-leaved forest lack significant, widespread symbiotic N-fixing plants. N-fixation by abundant epiphytes undoubtedly contributed considerable amount of nitrogen to ecosystem. However, little information is available on epiphytes BNF in the montane moist evergreen broad-leaved forest. In this research project, N-fixation rates of epiphytic moss, lichens and canopy humus and their seasonal variations, as well as the relationships between epiphytes BNF and hosts, environmental factors will been studied in the montane moist evergreen broad-leaved forest and secondary forests. The contribution of epiphytes BNF to nitrogen cycling of the montane forest ecosystems will been assessed through quantifying N-fixation in epiphytic moss, lichens and canopy humus. The response of epiphytes BNF to environmental changes will been also revealed. The information generated from this project will provide scientific basis for understanding nitrogen cycling of the montane moist forest ecosystem, as well as conservation and management of natural forest resources.

生物固氮(BNF)是自然森林生态系统氮来源的主要途径之一。在缺乏共生固氮植物的山地湿性常绿阔叶林中，丰富的附生物生物固氮无疑为生态系统贡献了相当数量的氮素，但目前对山地天然林生态系统附生物的生物固氮了解甚少。本项目选择云南哀牢山山地湿性常绿阔叶林及次生林为对象，研究不同类型森林附生苔藓、地衣及林冠腐殖质的生物固氮速率及其季节变化特征，探讨附生植物生物固氮与宿主、环境因子间的关系，定量评估山地森林附生植物的年固氮量，阐明附生植物生物固氮在山地生态系统氮循环中的作用，揭示森林附生物生物固氮对环境变化的响应机制。研究结果为深入研究山地森林生态系统氮循环，以及山地森林资源的经营管理提供科学依据。

在缺乏共生固氮植物的山地湿性常绿阔叶林中，丰富的附生植物生物固氮无疑为生态系统贡献了相当数量的氮素，但目前对其生物固氮了解甚少。本项目采用野外测试与室内控制实验相结合方法，对云南哀牢山森林附生植物的生物固氮速率及其季节变化，附生植物生物固氮速率与宿主的关系，以及对环境变化的响应等方面进行了测试研究，结果表明：(1) 在哀牢山山地湿性常绿阔叶林内16种主要附生苔藓植物中，9种苔藓检测到有固氮能力；附生地衣的固氮活性明显大于苔藓，且雨季大于干季。(2) 蓝藻地衣网肺衣的年平均固氮速率为7.8±1.2 umol g–1 d–1,干热胁迫明显降低附生地衣生物固氮速率，增温和干旱导致碳储存不足而造成固氮酶活性的降低。(3) 有机N是附生苔藓获取N素的重要形态之一，所研究附生苔藓组织中有机态N对总N的贡献量达28.4-44.5%。(4) 构建了亚热带山地森林附生苔藓响应N沉降的生理生态机制模型，估算出该区森林附生苔藓对N沉降的临界载荷为18 kg N ha–1yr–1。(5) 附生苔藓能通过叶片功能性状的权衡适应林内荫湿生境；附生植物生物量增长率与生物固氮速率呈正相关。(6) 由过多N添加所导致的生理胁迫并不能通过添加P和S而完全得到缓解。(7) 森林退化导致附生植物功能性状间存在权衡，次生林中附生个体表现出更强的光合能力和资源利用效率。(8) 宿主对附生植物生物固氮速率影响不显著；附生植物固氮速率随其组织含水量升高而增加，当含水量超过180-200%后，其固氮速率迅速下降。(9) 随着纬度和海拔的上升，森林树干附生苔藓生物量及组分存在明显的分异规律。(10) 通过对乙炔还原法的修订，建立了适用于山地森林附生植物生物固氮速率测定的方法。研究结果对深入研究山地森林附生植物的生物固氮及其对生态系统氮循环的贡献，以及山地森林资源保护和管理具有重要意义。本项目发表论文16篇（其中SCI论文9篇），培养7名研究生，项目主持人获得云南省优秀博士论文指导教师奖，中科院“朱李月华”优秀教师奖。