典型温带荒漠区梭梭群落细根动态和周转对模拟降水增加和氮沉降的响应

细根是植物水分和养分吸收的重要器官，是决定土壤碳库循环速率的重要部分，对于细根生长动态和周转速率的研究将有助于对气候变化后的群落生产和生态系统响应进行准确预测。水分和土壤氮素含量是温带荒漠群落最重要的限制因子，降水增加和氮沉降将会对温带荒漠区原生群落生长和碳收支平衡产生重要影响。本研究以古尔班通古特沙漠原生梭梭群落为研究对象，通过模拟降水增加、大气氮沉降，采用连续土钻法、微管法估算荒漠原生梭梭群落细根生产、死亡、立地现存量和周转，分析荒漠梭梭群落细根动态和周转的季节变化与垂直分布规律，及其对降水增加和大气氮沉降的响应；并结合梭梭群落地上生长动态和生产的调查，分析降水增加和大气氮沉降影响下荒漠梭梭群落的生长变化和碳分配，揭示细根动态和周转在植物生长适应和生态系统碳收支中的作用。该项研究不仅可为荒漠生态系统的碳收支研究提供基础数据，并将有助于预测荒漠生态系统对未来气候变化的响应与适应。

项目基本按照研究计划执行，在2010-2013年对温带荒漠区原生梭梭群落细根生长动态过程进行了连续定位监测，并同步监测了相关环境要素和地上生长过程，获得了第一手的观测资料。以现有观测资料为基础，分析了控制荒漠梭梭群落细根生长的主要环境因素和生物量地上、地下分配关系，研究了降水和N增加对梭梭群落细根生长、周转和荒漠生态系统净初级生产力的分配的影响。根据获得的细根生长、死亡和周转数据结合同步观测的环境因素的变化分析，估算的梭梭群落细根现存量、年生产量和年死亡量分别为1.42 mm•cm-2, 4.07 mm•cm-2，3.55mm•cm-2，均显著高于白梭梭群落，并且梭梭和白梭梭的立地现存量、年生长量和年死亡量均随深度增加先增加后减少。梭梭和白梭梭群落表层的细根周转最高，整体上，梭梭细根周转比白梭梭快64%，这一结果补充了温带荒漠优势的灌木地下根系生长观测的不足。结合同步观测的环境因素的变化分析，发现土壤含水量是控制梭梭群落细根生产和细根生长速率的最重要因素，并且细根生物量与土壤呼吸具有显著的相关关系，这一结果从根系地下生长的角度，确认了水分在控制干旱区植物生长、生物量分配和生态系统功能上的关键作用。通过对梭梭群落在降水和N添加控制试验下的监测，发现降水对细根立地现存，生产和根数和单根密度均具有显著影响，细根生长对降水添加的响应主要发生在土壤20-100cm土层，而N添加对细根生长没有显著影响，降水添加降低了周转，而N添加增加了周转，这一结果暗示在未来温带荒漠区降水量降加和N沉降增加的背景下，温带荒漠区的地下有机碳库的储量将会增加。对地上群落结构的观测，发现尽管增加降水和N添加均有可能增加群落物种丰富度，但降水增加显著增加了一年生和短命植物的密度和盖度，N添加对梭梭群落短命和一年生植物的密度和盖度并没有显著影响，并且没有水、N添加的交互效应。结合群落地下根系生产的响应，研究结果表明水分控制是温带荒漠生态系统群落结构的第一限制因子，微量的N沉降(5g m-2 yr-1)并不会对荒漠生态系统群落结构产生显著影响。对群落内NPP分配的估算表明,梭梭群落地下细根生物量约占群落NPP的23～39%，水分和N素添加均降低了群落NPP的地下分配，但只有N添加具有显著影响。这一研究结果整体上揭示出在未来降水增加和N沉降的背景下，温带荒漠梭梭群落有可能增加潜在的固碳能力。