黄土高原半干旱草原植物对全球变化的多元素生态化学计量学响应及其内稳性调控机制

The changes in plant stoichiometry (elements concentrations and their ratios) and stoichiometric homeostasis (the ability to decouple foliar chemistry from variation in soil chemistry) always indicate disturbance in ecosystem structure and function. Plant C:N:P stoichiometry could be affected by global change. However, large uncertainties remain about the stoichiometric responses of other elements to global change and the role of homeostasis in mediating these responses. Loess semi-arid grassland is among the most sensitive and vulnerable ecosystems currently facing the pressure of global change. Here, we will investigate the effects of experimental warming, precipitation change and N addition on plant multielement stoichiometry in the Loess Plateau. The different effects of single global change component and multiple components on plant multielement stoichiometry (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Mn, Cu and Zn included) will be analyzed. We will also compare the differences between microelements and macroelements in responses to global change. Furthermore, the stoichiometric homeostasis and the variation in element availability will be investigated to understand the responses of plant stoichiometry to global change. These analyses may help us to approach a synthetic theory of ecological stoichiometry and a comprehensively understanding on biogeochemistry in a changing world.

植物的化学计量学特征（包括元素浓度和元素间比例）和化学计量内稳性（即在变化的养分供应条件下植物维持其元素组成不变的能力）是生态系统功能的重要表征。全球变化可能会改变植物的碳、氮、磷化学计量学特征。但全球变化对其他元素的化学计量学影响及内稳性在这一过程中的调控作用尚不清楚。黄土高原半干旱草原是一种脆弱且敏感的生态系统类型，目前正受到全球变化的深刻影响。为此，本项目拟以该生态系统为研究对象，通过对气候变暖、降雨量变化和氮沉降增加进行模拟，研究全球变化单因子和多因子组合处理对半干旱草原植物碳、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、铜、锌等养分化学计量学特征（养分浓度及碳:养和氮:养）的影响；同时通过对土壤养分变化和植物内稳性的分析，初步探讨植物化学计量学特征对全球变化响应的潜在机理。本项目的实施将有利于拓展生态化学计量学研究的范畴，也有利于深入全面地理解全球变化情景下的生物地球化学循环过程。

降水改变、温度上升和氮（N）沉降增加等全球变化因子会改变土壤中可利用养分的含量，进而改变植物中关键元素N和磷（P）之间的关系，影响植物的养分水平和生长状态。这些变化可能会进一步引起生物多样性和生态系统功能的改变。目前，已有很多研究探讨了全球变化对植物N、P浓度及其比值的影响，但鲜有研究探讨全球变化因子是否影响以及如何影响这两种元素之间的异速关系。本研究利用降水改变、增温和N添加的野外控制试验，来探讨黄土高原半干旱草原植物N和P化学计量学特征及N和P之间的异速关系对这些全球变化因子的响应。结果发现，干旱和增温均降低了植物P浓度，N添加增加了植物N浓度，这些都导致植物N:P增加。干旱、增温和N添加没有显著改变植物N和P浓度之间异速关系的斜率（即N和P浓度对数转换后的线性关系斜率α），但是显著增加了其截距（Log β）。这些结果表明，全球变化因子可能不会影响植物N和P之间的协同变化关系，植物中N和P之间可能存在着紧密的耦合关系。本研究同时探讨了多种全球变化因子（降水改变、增温和N添加）对植物化学计量学特征和N与P之间异速关系的影响，有助于我们更好地理解全球变化背景下的植物养分动态和元素平衡。