高氮沉降背景下磷添加对南亚热带森林植物多样性的影响和机理

Elevated nitrogen (N) deposition in tropical or subtropical are considered to exacerbate phosphorus (P) deficiency in forests, which negatively affect the biogeochemistry processes. Accordingly, additional P inputs are regarded as a plausible method to mitigate N-induced negative effects. However, it is not clear how N and P interactively affect plant diversity in tropical and subtropical forests. In this project, combined with our previous results, we will examine responses of understory plant diversity to long-term N and P additions in three typical subtropical forest ecosystems (pine forest, pine-broadleaf mixed forest and monsoon evergreen broadleaf forest) of southern China, with an emphasis on explaining the mechanism in altering plant diversity. Results from this study will theoretically provide new understanding on responses of plant diversity to soil P availability in subtropical forests. The implementation of this project could be better to evaluate effects of P addition on N-deposition-induced disturbance in regional forests, and to provide useful information to sustainable forest management.

热带和亚热带森林被认为普遍受磷限制，升高的氮沉降会加剧其磷限制状态。因此，磷添加可以作为缓解高氮沉降负面效应的一种手段。但是我们还不清楚磷及氮磷交互作用如何影响该区森林的植物多样性。在前期研究的基础上，本项目利用我国最早建立的长期森林氮、磷添加试验样地，通过野外调查结合植物生理和土壤性质测定来研究南亚热带三个代表性森林（马尾松林、混交林和常绿阔叶林）林下植物多样性对磷及氮磷交互作用的响应，旨在：1）验证“低磷环境”是否对亚热带森林植物多样性维持起作用。2）阐明不同演替阶段和氮状态的森林植物多样性对磷及氮磷交互作用的响应格局；3）揭示磷及氮磷交互作用对南亚热带森林植物多样性影响的机理。本项目实施，一方面可以丰富热带亚热带区域磷循环的知识体系，并为多样性研究做出原创性贡献；另一方面，可以评估未来高氮沉降下磷添加对南亚热带森林植物多样性的影响，为我国制定氮氧化物的减排和森林管理政策提供科学依据。

热带亚热带森林具有陆地生态系统最高的生产力和生物多样性。然而，热带地区已经成为氮沉降增加的热点地区。不同于温带森林，热带亚热带森林“富氮少磷”的特性暗示了该区生态系统对养分状态变化有不同的响应规律。然而，目前我们仍然不清楚长期氮、磷及其交互作用如何影响热带亚热带林下植物的养分状态，生理生态特性以及物种组成等。为了检验传统理论在热带森林的适用性，本项目选取了我国南方地带性典型森林，开展了长期野外氮、磷添加控制实验，重点关注氮和磷添加如何影响林下不同植物的生理特性、养分限制状况以及林下植物多样性。主要研究结果如下：（1）长期氮添加一般不增加“富氮”森林林下层植物各器官的氮含量，也不改变植物的磷含量和N/P，表明长期氮输入不加剧“富氮”森林植物的磷限制。“富氮”森林植物枝条氮、磷含量与叶片和细根的氮、磷含量相当，表明枝条可能具有养分储存的功能。磷添加后过量的磷主要积累在细根和枝条中，而不是叶片中。因此，细根和枝条的磷含量和N/P可能更好地指示植物磷限制状态。整体上不同物种对氮、磷添加的响应趋势一致，但是响应的敏感性具有明显的种间差异。（2）长期氮、磷添加均显著降低阔叶林林下层植物的多样性，但是对混交林和针叶林的影响较小。氮、磷添加对多样性的影响没有明显的交互作用，表明磷添加不能缓解氮输入对多样性产生的负面效应。进一步的证据表明，氮添加导致多样性降低的主要原因是土壤酸化，而磷添加降低多样性的可能原因是一些物种的碳收支失衡。因此，氮、磷增加导致的热带森林植物多样性降低可归结为植物对新环境的不适应（内因）而非传统上认为的竞争排斥（外因）。因此，在热带森林生态系统应该重视氮沉降或磷可用性增加的间接作用对植物多样性的影响。综上，本项目的顺利执行丰富了“富氮少磷”条件下对植物响应和适应环境的机理认识，研究结果对评估和预测我国南方森林生态系统氮、磷循环及其变化规律具有重要的理论和现实意义。