温带森林氮磷限制模式及形成机理

Nitrogen (N) and phosphorus (P) are key limiting elements for terrestrial ecosystem functions. Many previous studies focus on evaluating the relative importance of N vs. P limitation on ecosystems, but little attention is paid to identifying their limitation patterns (single-element limitation, simultaneous co-limitation, independent co-limitation and serial limitation) and detecting the underlying mechanisms. Thus, with an experiment of N, P and acid addition in a temperate forest of Changbai Mountain, this study aims to analyze the difference in the patterns of N vs. P limitation at different levels of plant species, functional group and community, by measuring net primary productivity (NPP), leaf N:P stoichiometry and soil N and P availability. Moreover, in order to reveal the mechanisms driving the limitation patterns (i.e. soil acidification, rhizosphere effect and plant resource use), we will measure rhizosphere and non-rhizosphere soil chemistry, phosphatase, and plant resource allocation and use strategies. Therefore, this study is of great benefit to fully understanding the impacts of N vs. P limitation on terrestrial ecosystems, and will provide theoretical support for accurately predict ecosystem dynamics with N deposition.

氮和磷是陆地生态系统功能的关键性限制因子。前人大量研究主要评估了氮限制和磷限制对生态系统影响的相对重要性，但是很少鉴别生态系统氮磷限制模式（单因子限制、同步共同限制、独立共同限制和渐进限制）及其形成机理。本项目拟以长白山温带森林为研究对象，基于野外氮和磷添加实验，通过监测“物种-功能群-群落”不同组织水平上初级生产力、植物N:P比及土壤氮和磷的有效性，比较生态系统不同组织水平上氮磷限制模式的异同，阐明不同物种和功能群如何影响生态系统水平养分限制。同时结合土壤酸化处理，通过分析根际土与非根际土的理化性质、土壤磷酸酶以及植物资源分配和养分利用策略等，揭示温带森林生态系统氮磷限制模式的形成机理（如土壤酸化、根际效应、植物养分策略调整等）。本研究有助于我们全面理解氮磷限制对森林生态系统的影响，并为准确预测全球氮沉降背景下生态系统的动态变化提供理论支持。

项目基于长白山温带森林氮添加、磷添加和酸添加实验平台，旨在揭示温带森林的氮磷限制模式及机理。首先，我们基于长白山实验平台，阐明温带森林不同组分（叶片、根系、凋落物、土壤和微生物）N:P化学计量对氮磷添加的响应差异以及它们之间的联系，研究发现温带森林植物养分吸收主要受到磷限制，但不同组分的氮磷限制程度可能不同。进一步基于长白山温带森林，鸡公山暖温带森林和鼎湖山亚热带森林氮磷添加联网实验，我们发现磷主要限制中国亚热带和暖温带森林小树（胸径小于15厘米）的生长，但不限制大树（胸径大于15厘米）的生长。而长白山温带森林的小树生长主要受到氮磷共同限制，研究意义在于当考虑森林的养分限制，必须充分考虑树木的个体大小。最后利用整合分析的方法，在项目整体框架下进一步探索，发现陆地生态系统不仅受到氮磷限制，其他元素（如K、Ca、Mg）的限制作用也日益突出。