氮沉降对昆仑山高寒草原豆科和非豆科植物养分利用策略的影响研究

The nitrogen cycle has been changed by global elevated nitrogen deposition, leading to an increased availability of nitrogen in environments, and its ecological effect has become a hot topic. This research is conducted based on the comprehensive testing ground of alpine grassland of Cele National Field Research Station in Xinjiang by 5 levels of ammonium and nitrate nitrogen deposition. We use stable isotope tracer techniques to investigate the (1) effects of nitrogen deposition on soil nutrient availability, nitrogen mineralization rates and enzyme activity; (2) changes of ecological stoichiometry of the leguminous and non-leguminous species after nitrogen deposition; (3) the variations of the 15N uptake, recovery and resorpiton of leguminous and non-leguminous species from ecosystem and input nitrogen; (4) effects of nitrogen deposition on phosphorus concentration and resorption of the leguminous and non-leguminous species. We will reveal nutrient utilization strategy of the leguminous and non-leguminous species after nitrogen addition, and distinguish the specialty of nutrient utilization strategy in the leguminous and non-leguminous species. Our research will predict the trend of plant community composition in Kunlun Mountain alpine grassland under global climate change condition. Furthermore, we will provide theoretical basis for local vegetation restoration and sustainable management in the Kunlun Mountain alpine grassland.

氮沉降增加改变了生态系统的氮循环过程，导致生态系统可利用氮水平增加，其带来的生态学效应已成为当前研究的热点。本研究依托新疆策勒国家野外研究站的昆仑山北坡高寒草原氮素添加实验场，通过氮添加模拟不同氮沉降水平，利用15N同位素示踪法，以豆科和非豆科植物两个功能群为切入点，分析氮沉降对土壤养分及土壤酶活性的影响；阐明氮沉降下昆仑山高寒草原豆科和非豆科植物生态化学计量学变化特征；揭示高寒草原豆科和非豆科植物对自然生态系统和外源氮的吸收量、回收率和重吸收率的差异；阐明氮沉降对豆科和非豆科植物叶片磷含量和重吸收效率的影响，分析豆科和非豆科植物养分利用策略的异同点，明确氮沉降增加背景下豆科和非豆科植物养分利用策略的变化规律及其影响因素，为预测并量化昆仑山高寒草原群落组成的变化趋势提供科学依据，同时也为高寒草原的植被恢复以及草地的可持续管理提供理论支撑。

受人类活动的影响，大气氮沉降越来越成为全球性的问题，显著影响草地生态系统的结构和功能，磷是草地常见的土壤限制性因子。沉降氮对生态系统的影响取决于被植物吸收利用量，但目前关于高山草原生态系统的研究较少且持续时间较短，在更长的时间尺度下沉降氮去向和再分配对生态系统的影响仍是未知。昆仑山草地生态系统是新疆主要的牧区之一，该区域对气候变化敏感，但相关研究尚为缺乏。因此，不同类型植物吸收不同形态的沉降氮的差异，养分输入增加对昆仑山草地生态系统植物生态化学计量特征的影响、植物养分利用策略的异同等科学问题亟需研究。项目在昆仑山主要高山草地进行了野外氮同位素示踪实验和氮磷添加实验，围绕氮磷添加对植物生态化学计量特征和养分重吸收效率的影响开展了系列研究。项目利用同位素技术，准确量化了氮在生态系统中的分配过程，有助于深入理解氮存留机制和阐明生态系统响应；不同形态氮在各物种间的分配不均衡，且植物对氮形态具有明显的偏好性，铵态氮和硝态氮去向及再分配具有明显差异； 实验初期生态系统两种氮形态均总回收率均接近50%，随后存留降低至23.59%（硝态氮）和6.77%（铵态氮），生态系统接更缺磷；氮添加增加了土壤无机氮和叶氮含量，氮成分对植物叶片氮磷含量以及养分重吸收效率均无显著影响（氮饱和），年际变化（降水等）对生态系统的影响远大于氮组份差异，大量氮输入增加硝化和反硝化过程强度，具有较强的氮损失风险；物种间的氮磷养分利用策略不同，昆仑山高山草地生态系统对磷更敏感，目前处于相对缺磷的状态；养分添加显著影响了生物地球化学循环过程并导致植物养分重吸收的不均衡性。研究成果对揭示山区草地生态系统对气候变化对的响应机制和适应策略具有重要意义，也可为山区退化草地的植被恢复和可持续管理提供科学依据。