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大气氮沉降是近年来人们非常关注的全球变化之一。大气氮沉降能够影响植物生长与生物量分配、植物和微生物多样性、土壤营养循环以及碳库储存与释放。然而,以前的研究大部分集中在森林与草原生态系统,目前有关干旱半干旱区荒漠生态系统如何响应氮沉降增加的研究相对较少。荒漠生态系统由于其低的含氮量,与其它生态系统相比,小的氮素增加有可能带来更大的生态效应。然而,荒漠生态系统的氮效应可能受到降水和土壤含水量较低的限制。本论文以新疆古尔班通古特沙漠为研究区,原位设定0(N0)、0.5(N0.5)、1.0(N1)、3.0(N3)、6.0(N6)和24.0(N24)gNm-2a-16个模拟施氮浓度,并与控制实验相结合,研究氮沉降对荒漠草本植物生长及微生物活性的影响。所研究的植物包括尖喙栊牛儿苗(Erodium oxyrrhynchum)、琉苞菊(Hyaleapulchella)、涩荠(Malcolmia africana)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)、钩刺雾冰藜(Bassia hyssopifolia)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、骆驼蹄瓣(Zygophyllum fabago)和盐生车前(Plantago maritima)。
研究结果表明,短命植物尖喙牻牛儿苗和琉苞菊生物量在营养生长中后期快速增加,而一年生长营养期植物角果藜生长曲线较平缓。高氮增加可以使短命植物最大相对生长率提前,为最大程度地增加其生物量带来可能。琉苞菊和尖喙栊牛儿苗植物个体最大生物量随施氮浓度的增加而增加,氮处理对角果藜的影响相对较小。高氮能够增加尖喙牻牛儿苗和琉苞菊的地上地下生物量分配比例,而对角果藜生物量分配的影响未达到显著水平。
控制实验中选取荒漠地区广泛分布的三种多年生草本植物骆驼刺、骆驼蹄瓣和盐生车前及两种一年生草本植物涩荠(短命植物)和钩刺雾冰藜(一年生长营养期植物),研究其生长和光合生理对氮增加的响应,并研究氮素和水分互作对涩荠和钩刺雾冰藜植株生长和生理的影响。结果表明,增氮处理均能够促进五种草本植物生物量的增加。施氮后,骆驼刺,涩荠和钩刺雾冰藜的根重和根长均增加,但是骆驼蹄瓣和盐生车前却降低。随着氮浓度增加,五种植物冠根比(S/R)亦增加,说明氮沉降增加能够促进生物量尤其是地上生物量增加。干旱能够抑制氮对植物生长的促进作用,但是,氮的增加同时也能部分缓解干旱对植物生长的负效应。与钩刺雾冰藜相比,涩荠的根长、生物量和冠根比更易受干旱的影响。
光合和渗透调节物质研究结果显示,随着氮浓度的增加,植物的净光合速率(包括最大净光合速率)、叶绿素和可溶性蛋白含量增加。这些与光合相关的生理指标对氮的正响应与其植物个体的生长变化相一致。随着氮浓度的增加,可溶性糖含量和脯氨酸含量减少,说明氮的增加可以缓解缺氮对植物生长的限制。
以上对荒漠草本植物生长和生理分析表明,在古尔班通古特沙漠,春季丰富的降水和氮素增加将有利于草本植物生长和生物量的增加,相对于地下生长,地上部分增加更显著。然而,个体生物量的增加却有可能伴随物种多样性的减少。从以上的分析还可以看出,短命植物对氮的响应比一年生长营养期植物更加敏感。两种不同类型植物对氮沉降和干旱胁迫响应的差异可能是由于其生活型不同,从而造成不同的适应特性。
土壤微生物和酶活性研究结果表明,植物对不同氮浓度响应的差异与其土壤营养密切相关。土壤微生物活性的变化是衡量土壤营养转化的重要指标。大部分微生物活性指标在0-5cm比5-10cm土层高,并且比5-10cm土层响应敏感。土壤水解酶活性对氮增加较为敏感,随着施氮浓度增加,土壤脲酶活性降低,蔗糖酶和碱性磷酸酶活性先增加后降低。氧化酶活性在低氮浓度变化不显著,但是高氮下其活性降低。土壤氧化酶的季节变化与土壤水热条件变化相一致,而土壤水解酶活性季节变化却受更多因子的影响。氮增加可以增加微生物量氮,却在短期内未对土壤群落水平的代谢剖面产生影响。结果表明,该荒漠中氮的增加短期内可以改变碳、氮和磷的营养转化,但是还未能改变微生物群落结构。
氮对碳库的影响不仅包括影响与碳转化相关的酶活性,而且影响土壤呼吸。氮对土壤呼吸的作用与荒漠中土壤温度和土壤水分密切相关。在实验前两年,氮的增加总体上促进土壤呼吸增加,但秋季各施氮处理差异不显著。实验进入第三年后,高氮(N24)降低土壤呼吸。高氮下土壤呼吸的降低与样地中的植物数量减少以及生态功能退化密切相关。
了解荒漠生态系统植物和微生物对氮沉降增加的生理生态响应规律,有助于我们更好地对生态系统进行管理。由于氮沉降将导致沙漠地区草本植物群落多样性的降低,因此本研究建议禁止在该沙漠边缘区域开荒,以减少春季土壤氮的排放(主要是由开垦活动所致),将氮沉降的高峰与荒漠短命植物生长高峰分离,这对于古尔班通古特沙漠生物多样性的保育具有重要意义。