大气氮沉降导致草地生态系统植物多样性降低的主导机制研究

Enhanced deposition of atmospheric nitrogen (N), as an important phenomenon in global climate change, has great impacts on biodiversity, community structure and function of ecosystem. Temperate grasslands in northern China exhibit greatly sensitivities to N deposition, because of the long-term limitation of N availability. There have been numerous studies on the mechanisms underlying the effect of N deposition on plant diversity, which mainly based on the hypotheses drawn from statistical analysis. Previous studies were relatively lack of direct experimental evidence. Therefore, it is not clear for the relative importance of these mechanisms due to the trade-off among the factors. In this study, we will further study the temporal and spatial dynamics of plant community in response to N deposition and the dominant mechanisms of N deposition-driven phased loss of plant species in grassland ecosystem by these experimental platforms including short-term N addition, long-term N addition, control of soil acidification and pot experiments. The outcome of the project will advance our knowledge on grassland ecosystem response to N deposition under background of the global climate change. Moreover, this research will be useful for the scientific management and sustainable utilization of natural grasslands.

大气氮沉降导致全球范围内生物多样性降低，极大地影响着生态系统的结构与功能。我国北方温带草原由于长期受氮有效性的限制，因此对大气氮沉降的响应表现十分敏感。以往关于氮沉降导致植物多样性降低的机理研究主要基于数理统计的各项假说，缺乏相对直接的实验证据，导致各因素间相互交叠。本项目通过短期、长期氮添加试验，土壤酸化控制试验，并结合盆栽试验，研究草地生态系统植物群落对氮沉降响应的时空动态，从不同的时空角度阐明氮沉降导致植物阶段性丧失的主导机制，系统揭示大气氮沉降导致植物多样性降低的作用机理。以期揭示和预测全球变化背景下草地生态系统的响应，为自然草地的科学管理和可持续利用提供科学依据。

人类活动导致的全球范围内大气氮沉降的增加，导致我国北方温带草原植物多样性降低。以往关于草地生态系统植物多样性对大气氮沉降的响应研究主要集中于植物地上过程，对于地上与地下的互作机制尚缺乏系统研究。本项目通过长期野外定点监测，明确我们北方温带草原对大气背景氮沉降响应的敏感性。通过野外多个养分添加试验平台，同时结合盆栽模拟，研究植物群落和土壤属性对氮富集响应的动态变化；对比分析不同植物功能群在氮富集条件下的丧失频率；阐明植物根际过程在氮富集条件下对植物地上养分累积的调控作用；解析不同植物根际鞘属性对氮富集的响应差异及其参与调节植物地上响应的作用机理。研究发现：1) 与气候因子相比，长期低水平的大气氮沉降是驱动我国北方温带草原植物多样性降低的关键因素；不同植物物种对氮沉降的响应不同；2) 大气氮沉降导致的植物多样性降低呈现阶段性和地下驱动性的特征：在氮沉降的不同时间维度上，物种丧失的主导机制不同。早期氨毒害、中期金属离子毒害和后期养分富集驱动的植物分生器官的再生分别是氮沉降导致草地生态系统物种多样性丧失的关键机制；3) 氮沉降背景下，杂类草与禾草根土界面过程的差异响应是导致其叶片元素累积及化学计量差异的重要因素。与禾草相比，杂类草根系在氮富集条件下具有较强的酸化能力、较强的磷酸酶和有机酸分泌能力，导致杂类草叶片积累较高的磷和锰；4) 与杂类草植物物种相比，禾草的根系能形成较大的根际鞘，并且随着氮添加水平的增加，其根际鞘逐渐变大；禾草的根际鞘通过调节根际土壤的理化属性、生物学属性以及有机化合物的含量，增加禾草对氮富集引起的环境胁迫的耐受性。这些研究结果系统揭示了大气氮沉降导致草地生态系统物种多样性降低的作用机理，为深入理解全球变化背景下的草地生态系统响应提供了新认识。