植物氮素获取策略的影响因素:亲缘关系与草地退化

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氮素是大多数陆地生态系统中限制植物生长的主要因素。在氮受限情况下,植物会表现出对可利用性氮素(铵态氮、硝态氮和有机态氮等)的强烈竞争,因此研究植物氮素获取策略对于认识生态系统氮循环以及植物物种共存具有重要的生态学意义。影响植物氮素获取策略的因素有很多,主要有植物、微生物等生物因素和土壤结构、质地、含水量和CO2等非生物因素。本研究重点探讨生物因素-植物亲缘关系远近和非生物因素-过度放牧导致的草甸退化对植物氮素获取策略的影响:(1)亲缘选择和资源生态位分化一直被用来解释亲缘植物聚集生长的作用机制。先前大多数的研究都是通过对后代数目,表型等的观测来确定亲缘选择和资源生态位分化,而很少有通过对营养元素的竞争来判定。为此,我们田间状态下利用15N示踪技术比较研究了两种作物(大豆Sorghum vulgare和高粱Glycine max)的亲缘个体和非亲缘个体对铵态氮、硝态氮和甘氨酸的吸收状况。结果显示为:非亲缘组合的高粱根部生物量增加,从生物量分配角度发生了亲缘选择,但吸收功能上并未增加对氮素获取;大豆明显改变了对可利用氮素的竞争,增加了对优势氮的吸收,降低了对甘氨酸的吸收,发生了资源生态位分化,但是生物量没有显著性差异,说明并未发生亲缘选择。这表明亲缘选择和资源生态位分化可同时发生而影响植物的竞争能力。(2)过度放牧对小嵩草(Kobresia pygmaea)草甸有不可逆转的伤害,其中一个后果是在植被空地处形成一层紧密的、呈龟裂状的黑色结皮结构。但是关于退化诱发的生物结皮如何影响高寒草甸有机氮和无机氮的运移规律尚无报道。本研究借助于15N示踪技术比较研究了退化和未退化小嵩草草甸植物和土壤对glycine,NH4+和NO3-固持状况,分析了生物结皮对高寒草甸有机氮和无机氮迁移运转的影响。研究发现,未退化小嵩草草甸的地上部分、活根和表层土(0-5cm)的氮固持量是退化草甸的二倍。未退化样地植物氮素获取量大于退化样地。活根15N回收率因其根部生物量高而为退化草甸的二倍。未退化草甸在施加无机氮后,其总15N回收率高于退化草甸。退化草甸的土壤微生物可能由于根系分泌物较少而相对碳受限,甘氨酸的输入激活了微生物,增加了土壤对甘氨酸的固持量。因退化草甸土壤微生物受碳限制及生物结皮与甘氨酸的疏水性,导致其总15N回收率高于未退化草甸。以上结果表明草甸退化改变了植物氮素获取和有机氮与无机氮在高寒草甸中的运移规律,它使得来自于有机氮,如甘氨酸的15N回收率更高,而来自于无机氮,如铵态氮和硝态氮的15N回收率更低。总之,植物亲缘关系和草地退化都会影响植物对氮素的获取,可为退化草甸恢复提供新的研究思路。
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