增温和放牧对高寒草甸植物氮利用策略的影响研究

Human activities and climate change are two major factors affecting the productivity of alpine meadow ecosystem, which generally is maintained through three nitrogen (N) utilizing strategies: enhancing N mineralization, increasing uptake of organic N, and enhancing N utilizing efficiency. Therefore, how plant develop different N utilizing strategies and how these strategies are affected by grazing are of great importance under future climate change scenarios, In this project, the monitoring of productivity, field soil net nitrogen mineralization, glycine 13C and 15N labeling and plant uptake of N will be used in a warming, grazing and fertilization experiment in Haibei Alpine Meadow Ecosystem Research Station. The main research questions are: 1), if warming will result in a progressive N limitation (PNL), and if grazing will accelerate or slow this PNL ; 2), the effects of warming and grazing on soil organic N mineralization in different seasons; 3), the effects of warming and grazing on the organic N uptake by dominant species; 4), the response of plant N utilizing efficiency to warming and grazing. We aim to unravel the internal mechanisms of the maintaining of the productivity of the alpine meadow ecosystem under climate change and grassland use by investigating the plant N utilizing strategy under warming and grazing. This study will provide evidence for predicting productivity, vegetation community structure and nutrient cycling under climate change grassland use conditions.

人类活动和气候变化是影响高寒草甸生产力的两大主要因素，高寒草甸生产力维持可通过多种氮素利用策略，如提高氮矿化，增加有机氮的摄入以及提高氮素利用效率等。因此，研究未来气候变化条件下，植物如何形成不同的氮利用策略，放牧将如何影响这些氮的利用策略对于高寒草甸生产力研究非常重要。本项目将在海北站增温放牧施肥平台，用生产力监测、原位土壤净氮矿化、甘氨酸13C和15N双标记和植物氮素利用效率研究等方法，重点研究1）长期增温是否会导致渐进性氮限制，放牧是加速还是延缓渐进性氮限制；2）增温和放牧对土壤有机氮矿化速率的影响；3）增温和放牧对优势植物有机氮吸收的影响；4）植物氮素利用效率对增温和放牧的响应。从氮的利用策略角度来认识全球变化背景下生产力的响应和维持机制具有重要的理论意义和实践价值，同时也为准确分析和预测未来高寒草甸生产力发展提供必要的参数估计，并将为草地的恢复、保护和管理提供科学依据。

本项目在海北站增温放牧施肥平台和那曲站放牧平台，用生产力监测、原位土壤净氮矿化和N标记等研究等方法，针对本项目拟解决的两个关键科学问题（1）长期增温，高寒草甸是否出现“渐进性氮限制”？放牧是减缓还是加速这种现象的出现？（2）高寒草甸植物采取何种氮素利用策略适应增温和放牧干扰？围绕项目的四个研究内容：（1）增温、放牧和施肥对生产力的影响；（2）增温和放牧对氮矿化的影响；（3）增温和放牧对植物吸收小分子有机氮的影响；（4）增温和放牧对高寒植物氮素利用效率的影响开展三年的科学探索和研究，得出四个重要研究结果（1）短期增温放牧增加植物的生物量，但较长期增温放牧对植物生物量并无显著影响；（2）增温和放牧均对高寒草甸土壤净氮矿化、土壤铵态氮含量和甘氨酸含量没有显著影响。但增温降低10-20cm土壤可溶性N含量，而放牧升高土壤硝态氮含量和土壤可溶性N含量；（3）增温影响植物对甘氨酸的吸收，但植物对小甘氨酸的吸收因植物物种和季节而不同；放牧和增温对植物甘氨酸吸收有交互作用；（4）增温和放牧通过改变植物N利用策略提高植物N利用效率，维持较高的初级生产力。.通过四个实验结果我们得出结论：（1）长期增温导致高寒草甸出现渐进性N限制，但放牧因促进植物对土壤有机氮的吸收而使这一现象得到缓解；（2）高寒草甸植物通过改变N吸收的化学生态位和时间生态位适应增温和放牧的干扰。该结果对于理解全球气候变化和高寒草甸利用情形下植物群落的生态学过程和稳定性机制具有重要的理论意义，同时也为准确分析和预测未来高寒草甸生产力发展提供必要的参数估计和模型验证，并将为草地的恢复、保护和管理提供科学依据。