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生物多样性的变化是全球变化的重要组成部分,能够改变生态系统的结构和功能,影响生态系统的物质循环和能量流动过程,进而对生态系统服务和人类福祉产生影响。以往生物多样性与生态系统功能的研究多集中于生态系统的地上部分,而当今越来越多的生态学家认识到地下生态过程包括土壤物质循环过程与机制已经成为生态学亟待解决的前沿问题。本研究的目的是通过内蒙古典型草原生态系统剔除实验(IMGRE),在分析土壤属性、元素计量化学和有机碳/氮矿化潜能及其相互关系的基础上,阐明草原植物功能群多样性与土壤C:N:P计量化学特征及有机碳/氮矿化作用的关系。实验中将植物划分为5个植物功能群:多年生根茎禾草(Perennial rhizomatous grasses,PR)、多年生丛生禾草(Perennial bunchgrasses,PB)、多年生杂类草(Perennial forbs,PF)、一/二年生植物(Annuals/biennials,AB)、灌木半灌木(Shrubs/sub-shrubs,SS),利用剔除不同数目及组合的功能群产生多样性梯度及功能组合差异展开研究。主要研究结果有:
1.在不同植物功能群多样性下,土壤基本特性及碳氮矿化潜能在沿土壤剖面的垂直分布格局相似,主要养分特征值一般自上而下递减。
2.植物功能群多样性和功能群组成变化和土壤理化特性的变化存在不同程度的联系,而且这种联系受部分剔除和完全剔除两种不同功能群多样性处理方法的影响。随着处理时间的增加,功能群多样性及组成对土壤理化性质的影响程度增加。
3.不同土壤有机碳库和氮库对功能群变化表现出不同的响应,即活性碳/氮和总有机碳/全氮的响应方式和速度不同。土壤硝态氮和有效氮含量与植物功能群多样性呈负相关,和对照相比,功能群PR土壤中的有效氮含量较低,功能群PF及PF+AB土壤NO3--N含量显著高于功能群PB。
4.土壤不同计量化学参数对功能群多样性变化的响应不同。C:N随植物功能群多样性增加而升高,并发现通常在仅剔除PR处理下的C:N值较高。土壤C:P与植物功能群多样性间的关系存在年际变化,仅有2008年的研究结果表明C:P与多样性变化呈正相关,但2008、2009两年期间都没有观察到植物功能群组合的影响。土壤N:P相对稳定,对植物功能群多样性变化不敏感。
5.土壤矿化作用对植物多样性变化的响应存在滞后效应。2008年的研究结果表明不同植物功能群下的土壤碳和氮的矿化潜能均无显著差异,而2009年的数据显示不同植物功能群下的硝化速率的存在显著差异,其中功能群PR和PF下的土壤矿化速率较高,而功能群AB和PB下的较低。回归分析表明,植物功能群变化对土壤矿化作用的影响主要是通过改变土壤中的微生物、有机碳库和氮库而起作用,但随着实验处理时间的延长,功能群多样性与矿化作用的关系类型、程度和控制因素都有变化。
本研究所发现的植物功能群差异及功能群多样性对土壤属性、C:N:P计量化学和矿化作用的影响,表明植物多样性的变化将影响生态系统元素循环,并最终将影响草原生态系统的服务功能。因此,本研究将有助于了解草原生物多样性与生态系统功能关系,为应对全球变化下的草原可持续管理与利用提供科学数据和理论支持。