西南喀斯特山区典型生态系统优势植物氮素利用策略

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氮素是植物生长的必需元素,也是多数陆地生态系统植物生长的限制性元素。植物能否从土壤中有效获取氮素以满足自身生长需求,在很大程度上决定了其能否适应及存在于特定的生态系统中。由于可利用氮的有限性及时空分布的高度异质性,生态系统中的共存植物发展了不同的氮利用策略以有效获取氮素。从生态恢复的角度来讲,采取互补性氮利用策略的物种配置在理论上更有利于植被重建及促进植被恢复。在全球变化背景下,开放性氮利用策略可能更有利于植物适应环境变化。可见,认识植物的氮利用策略对于植被恢复中物种配置及预测全球变化背景下植被动态均具有重要意义。  喀斯特生态系统是地球表层系统的重要组成部分。由于其地质背景的特殊性,喀斯特生态系统的氮等元素生物地化循环存在特异性,可能导致植物对氮的吸收利用策略有别于其它生态系统。然而,目前对西南喀斯特山区典型生态系统优势植物氮利用策略的认识非常有限。基于此,本研究以西南喀斯特典型生态系统为对象,重点开展了四个方面的研究,即:不同演替阶段优势植物对不同形态氮的利用,喀斯特和非喀斯特森林优势植物对不同形态氮的利用,喀斯特和非喀斯特森林优势植物对不同形态氮素利用的生理生态特征,喀斯特和非喀斯特森林优势植物对氮等元素的重吸收利用特征。研究得到的主要结论如下:  1、通过对喀斯特山区不同演替阶段(草丛、灌丛、次生林和原生林)优势种的氮素利用策略研究表明,硝氮对植物氮库的贡献高于铵氮,且铵氮和硝氮对植物氮库的贡献随着土壤中铵氮和硝氮含量增高而增加。不同演替阶段的优势植物对铵氮和硝氮的利用偏好一致,并没有明显的生态位分化现象产生。  2、喀斯特和相邻非喀斯特森林土壤中不同形态的氮素含量差异显著。喀斯特森林土壤无机氮以硝氮为主,而相邻非喀斯特森林土壤无机氮以铵氮为主。喀斯特和非喀斯特森林优势植物氮库主要来源于土壤硝氮。进一步分析发现,喀斯特和非喀斯特植物均偏好利用土壤中含量低的氮素,即喀斯特植物偏好利用铵氮,非喀斯特植物偏好利用硝氮。  3、虽然喀斯特森林土壤无机氮库以硝氮为主,且硝氮含量显著高于非喀斯特森林,但是喀斯特森林优势植物根系中硝氮与亚硝态氮含量均显著低于非喀斯特森林,且喀斯特与非喀斯特森林植物根系硝酸还原酶以及亚硝酸还原酶活性差异不显著,可能意味着喀斯特和非喀斯特森林植物对硝氮的吸收利用能力相似。喀斯特森林土壤铵氮含量显著低于非喀斯特森林,但是根系铵氮含量显著高于非喀斯特森林,而根系谷氨酰胺合成酶活性又显著低于非喀斯特森林,可能意味着非喀斯特森林植物根系对铵氮的代谢活力强,减少了过量铵氮对植物根系的毒害作用。  4、喀斯特森林植物成熟叶片氮含量平均为21.55 g kg-1,磷含量平均为2.00g kg-1;衰老叶片氮含量平均为14.08 g kg-1,磷含量平均为1.38 g kg-1,表明植物对这些养分的吸收状态为“未充分吸收”(衰老叶片的氮含量高于10gkg-1,或者磷含量高于0.8 g kg-1)。喀斯特森林植物对氮的回收率(37%)和磷的回收率(18%)均分别低于全球平均值(46.9-50%,52-53.5%),表明在喀斯特森林,氮磷养分大部分都被截留在衰老叶片中。相邻非喀斯特森林植物叶片氮含量平均为11.66 g kg-1,磷含量平均为0.58 g kg-1,低于植物生理需磷量;衰老叶片氮含量平均为8.28g kg-1,磷含量平均为0.27g kg-1,表明植物对这些养分的吸收状态为“充分吸收”(衰老叶片的氮含量低于7gkg-1,或者磷含量高于0.5 g kg-1)。非喀斯特森林氮的回收率(28%)低于全球平均值(46.9-50%),而磷的回收率(52%)接近全球平均值(52-53.5%),表明在非喀斯特森林,氮元素大部分被截留在衰老叶片中,磷元素则大部分被植物体重新吸收利用。
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