论文部分内容阅读
21世纪，在全球变化的背景下，全球的干旱地区将面临更加严重的干旱，并且世界上遭受干旱的地域面积将逐渐扩大。干旱会对干旱和半干旱草原生态系统土壤、植物C、N、P的含量及生态化学计量学关系产生显著的影响，而且随着未来干旱程度的加剧，干旱对干旱生态系统所造成的影响将愈演愈烈。此外，在区域尺度上，由于不同粒径大小的土壤颗粒对有机质周转的作用以及对C和养分元素的吸附能力不同，土壤的颗粒组成情况对全土中C、N、P的含量及生态化学计量学关系也具有重要的影响。然而，干旱和土壤颗粒组成对草原生态系统的生态化学计量学关系具体会造成哪些影响还不是很清楚。为了探索草原土壤、植物的C、N、P含量及C∶N∶P的区域变化特征，本研究依托2012年夏季进行的中国北方3000 km草原样带调查，以该样带的土壤和植物为研究对象，并结合土壤颗粒分级的方法，在样带变化范围较大的干旱度的梯度上，主要研究了土壤C、N、P含量及C∶N∶P随干旱度增加而发生的相应变化，以及这些变量与土壤颗粒组成之间的相关关系;同时研究了物种水平和群落水平上植物N、P含量及N∶P对干旱度的响应。本研究将有助于揭示未来干旱程度的加剧对干旱和半干旱草原生态系统C、N、P的循环方面所造成的影响，为预测未来草原生态系统结构和功能的变化提供理论支持，进而为草原生态系统的管理和保护提供科学依据。 本实验的研究结果表明，在整个样带水平上，土壤砂粒含量和粉粒含量分别与干旱度呈显著的正相关关系和负相关关系;全土及各土壤粒级中C、N含量和储量（全土及砂粒的C储量除外）与干旱度呈显著的负相关关系;全土中的C、N含量和储量与粉粒和粘粒的含量呈正相关关系，而与砂粒含量呈负相关关系;全土中的C、N含量和储量与土壤各粒级中的C、N含量呈显著的正相关关系。由此可见，干旱强度的增加将会通过改变土壤的颗粒组成和降低各土壤粒级中的C、N含量进而改变土壤的C、N含量和储量，干旱的加剧有可能会造成干旱和半干旱地区草原生态系统土壤中C、N的损失。这些研究结果对于理解全球变化背景下干旱生态系统中干旱度的增加对土壤中碳氮循环的影响具有重要的意义。 在样带的干旱度梯度上，全土及各土壤粒级中的P含量与干旱度之间均具有显著的相关关系，然而其中粉粒中的P含量与干旱度的相关关系相对较弱。随着干旱度的增加，全土、砂粒和粉粒中的P含量先减小后增加，而粘粒中的P含量则随着干旱度的增加而显著降低;全土中的P含量与粉粒和粘粒含量呈正相关关系而与砂粒含量呈负相关关系;全土中的P含量与砂粒和粉粒中的P含量呈正相关关系而与粘粒中的P含量没有显著的相关关系。这说明干旱和土壤颗粒组成会显著影响土壤中的P含量。此外，土壤P含量对干旱度以及土壤颗粒组成的响应与C、N是有区别的，这可能是由它们在生态系统中的来源不同所导致的。 土壤中的C、N、P含量与干旱度和土壤的颗粒组成均具有显著的相关关系，这也进一步导致了土壤的C∶N∶P会随着干旱度的增大和土壤颗粒组成的变化而改变。全土及各土壤粒级中的C∶P和N∶P与干旱度显著负相关（砂粒中的C∶P除外）;全土中的C∶P和N∶P与土壤中粉粒和粘粒含量显著正相关而与砂粒含量显著负相关。然而，对于土壤C∶N来说，在干旱度为0.8的时候，产生了一个变化趋势的拐点:当干旱度小于0.8时，全土及各粒级的C∶N与干旱度显著负相关，而当干旱度大于0.8时，全土及各粒级的C∶N与干旱度显著正相关;当干旱度小于0.8时，全土C∶N与土壤中粉粒和粘粒的含量显著正相关而与砂粒含量显著负相关，而当干旱度大于0.8时，全土C∶N与砂粒、粉粒和粘粒的含量均没有显著相关关系。这说明干旱度和土壤颗粒组成的变化会显著改变土壤的C∶N∶P，而且土壤C∶N、C∶P和N∶P对干旱度和土壤颗粒组成变化的响应是不同的。此外，根据随着干旱度的增加而显著降低的N∶P这一研究结果可以预见，在未来干旱度加剧的情景下干旱和半干旱草原生态系统将会面临更加严重的N限制。 对于不同植物而言，其体内N、P含量与干旱度之间的相关关系会因为种属不同而异，分别呈现正、负相关关系，也可能不具有显著相关相关。所研究的13个植物种属中只有4个种（属）的N∶P与干旱度具有显著的正相关关系，而其余物种（属）的N∶P与干旱度均不具有显著的相关关系。这说明植物N、P含量与N∶P对干旱度增加的反应具有种属特异性，不同植物在其养分状况及生态化学计量学组成方面对干旱度增加的适应策略不同。在群落水平上，植物N含量与干旱度没有显著的相关关系而P含量则与干旱度之间具有显著的负相关关系，这进而使得群落水平上植物的N∶P随着干旱度的增加而显著升高。这些研究结果预示着干旱度的增加将会通过影响植物的元素含量及其生态化学计量学比值进而改变群落的物种组成、物种之间的相互作用以及微生物的分解等生态系统功能。此外，在植物的群落水平上，随着干旱度的增加而显著升高的N∶P说明干旱的加剧还可能会给干旱和半干旱草原生态系统带来P限制。