荒漠生态系统凋落物分解的化学计量研究

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凋落物分解是生态系统功能的重要过程,与植物养分、生态系统生产力和养分循环密切相关。传统分解模型中,气候因子和凋落物质量能够很好地预测湿润区凋落物的分解速率,但却在预测干旱、半干旱生态系统凋落物的分解方面存在一定问题。近年来,随着全球气候变化及人类活动的加剧,古尔班通古特沙漠的降水和大气N沉降正在发生着显著的改变,这不可避免地影响着凋落物的分解过程,进而影响到了该区生态系统的各个方面。为探讨荒漠植物凋落物分解的控制因素及C∶N∶P化学计量特征,在古尔班通古特沙漠南缘,选择粗柄独尾草(Eremurus inderiensis)、尖喙牻牛儿苗(Erodium oxyrrhynchum)、沙漠绢蒿(Seriphidium santolinum)以及粗枝猪毛菜(Salsolasubcrassa)、芦苇(Phragmites communis)、花花柴(Karelinia caspia)、西伯利亚白刺(Nitraria sibirica)为对象,将其根、茎、叶分开,在2009年-2012年研究了3个水分梯度(冬春增雪、夏季增水和对照)及2个养分梯度(施氮和对照)处理下凋落物的分解。通过比较不同凋落物类型、不同水肥处理下凋落物质量残留率及C、N、P含量等参数的变化,揭示荒漠区植物凋落物的分解特征及控制因素;通过分析凋落物C∶N∶P比值关系的变化,初步了解荒漠区凋落物养分空间分异以及其生态化学计量特征。  实验数据表明,各组分凋落物的质量损失过程可以用负指数衰减模型较好地拟合。经过近3年的分解,各组分凋落物最终的质量残留率在不同处理下均无显著性差异(p>0.05)。然而,凋落物的初始化学组成与分解速率存在显著相关关系,其中,初始养分含量和C组分能够预测地表凋落物(叶和茎)的分解,相比之下,难降解成分是限制根凋落物分解的主要因子。在荒漠区,植物的生活型与凋落物质量密切相关,快速生长的短命、类短命植物木质素含量较低,其分解速率显著快于多年生草本。在荒漠区凋落物的分解过程,微生物起到了非常重要的作用,从组分来看,叶根凋落物表现为净N释放,而低质量的茎凋落物则表现为不同程度的N固持,这预示叶、根凋落物的快速分解能够加速N素的循环速率,而茎凋落物的缓慢分解则可能有利于N素的保存。  凋落物分解的C∶N∶P化学计量特征的研究表明,在荒漠区植物凋落物分解过程中,凋落物的N、P损失慢于C损失。并且,凋落物发生N(P)释放的临界C∶N(C∶P)因凋落物类型而异,初始C∶N较高的凋落物,分解过程中的临界C∶N也较高。随着C残留率的减少,荒漠区凋落物分解的C∶N∶P化学计量组成,表现出一致的轨迹线和收敛特性,当C残留率为20%时,5种凋落物C∶N∶P比值收敛于170∶10∶1(质量比),较低的收敛值反映了荒漠区凋落物分解时易发生养分的累积。  本研究表明,在温带荒漠,凋落物初始化学组成是凋落物分解速率的主要控制因素,短时的水分和养分添加对分解的直接影响较小,这将有助于深化了解荒漠植物凋落物的分解过程与植物特性的关系。全球气候变化背景下,荒漠植物凋落物分解对于水氮添加的响应研究,为完整构建荒漠生态系统的C、N循环模型提供了关键的理论依据。以生态化学计量学的角度明确荒漠植物凋落物分解的C∶N∶P计量特征,为揭示荒漠区养分循环的驱动机制提供了理论和数据支撑。
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