呼伦贝尔草甸草原优势植物碳氮磷化学计量特征对氮磷添加的响应

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近一个世纪以来,由于气候变化和人类活动的共同影响,大气氮沉降日益增加,导致生态系统中可利用氮素显著增加。持续的氮沉降会影响P素的需求平衡,导致陆地生态系统受到P限制或N、P共限制,植物也会发生相应的变化。生态系统中氮素的增加及其导致的N∶P比值的升高将对植物的生长、发育、群落组成、生态系统结构与功能以及陆地生态系统过程产生重大影响。然而,截止目前在草原生态系统所进行的养分添加模拟试验大都是模拟氮沉降,极少有添加磷素的处理或者同时添加氮素和磷素的处理。此外,目前进行的植物生态化学计量特征及其对氮素添加响应的研究多以植物地上部位为主,其中大多以植物叶片为研究对象,而对植物地下部分即根部的研究很少,但实际上植物的不同器官具有不同的结构并履行不同的功能,因而具有截然不同的生态化学计量特征和对环境变化的不同响应模式,这些差异的存在可能蕴含着植物的不同器官对环境变化的协调适应机制。基于此,本研究依托额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站的氮磷添加试验平台,在连续进行了两年的(2014-2015)的N和P添加处理后,研究了样地内4种优势植物羊草(Leymus chinensis)、贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、狭叶柴胡(Bupleurum scorzonerifolium)以及披针叶黄华(Thermopsis lanceolata)根系及叶片的C、N、P含量与计量特征,及其对N添加、P添加和N、P添加交互作用的响应。  试验结果表明,在功能群水平上,植物根系化学计量特征与叶片相一致。豆科植物具有较高的N含量、N∶P和较低的C∶N,这是由于生物固氮作用引起的;杂类草植物具有较高的P含量和较低的C∶P、N∶P,这种化学计量特征与其短寿命、快生长的生活史策略相吻合,也印证了生长速率理论;禾草植物具有较低的N、P含量和较高的C∶N、C∶P。在物种水平上,和叶片一样,根系化学计量特征在物种间显著不同,表明植物养分利用策略的差异性。相比于叶片,根系具有较低的N、P含量和较高的C∶N、C∶P,这是植物器官间功能差异性的体现;但根系和叶片的N∶P差异不显著,说明N和P这两种功能性元素之间必须保持某种平衡,而且植物体很可能具有调节各器官内N∶P的能力,并使之在植物体不同器官中保持一致和稳定。  N添加显著提高了非豆科植物根系和叶片的N含量,P添加提高了四种植物根系和叶片的P含量。植物对外源N、P素竞争吸收能力存在差异,禾草植物具有较强的养分竞争能力,这也解释了在养分充足的区域禾草成为优势种。不同物种在养分分配上也存在差异:虽然所有4种植物都是将吸收的大部分N分配到叶片,但对P的分配却差异很大。羊草将吸收的绝大部分P分配到叶片,狭叶柴胡和披针叶黄华将绝大部分吸收的P分配到根部,而贝加尔针茅却是相对均匀地将P分配到根部和叶片。  N∶P是判断植物养分限制状况的一个重要指标。本研究表明:群落水平上,研究区域受到N限制,P的添加加大了植物的N限制程度;物种水平上,披针叶黄华同时不受N、P限制,狭叶柴胡受到N限制,羊草和贝加尔针茅同时受到N、P限制。本研究揭示了四种优势植物的生态化学计量特征及其种间差异,并通过氮磷添加验证了氮沉降导致草原植物磷限制或氮磷共限制格局以及氮沉降下氮磷元素的不平衡状态,在理论上为预测持续氮沉降的生态后果提供了一定的证据,同时在一定程度上将为草原生态系统的养分补给和调控管理提供重要的科学依据,有助于草原管理者进行科学决策,制定以实现可持续利用为目标的草原管理对策。
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