青藏高原高寒草甸长期氮添加的级联效应

It has been commonly recognized that nitrogen fertilization caused changes in plant community and plant growth, e.g. species composition, plant diversity, and leaf nitrogen (N) content, allocation patterns of photosynthetic productivity. However, studies on the cascading effects of N fertilization were very few. Here we plan to carry out the following studies based on a seven-year N fertilization experiment in an alpine meadow on the Tibetan Plateau: the effects of changes in leaf N content and plant species composition on quantity and feeding behavior of herbivorous consumers under the long-term N fertilization; the effects of changes in plant species composition on the positive feedback of nitrogen availability mediated by plants and microbes; and the processes of plant litter decomposition. We try to test a hypothesis: some of the leaf traits which are effective deterrents of herbivory are persistent in leaf litter and remain operational against decomposers. Our studies are very useful for better understanding the interactions and feedbacks among the sub-systems when they are in the face of environmental changes. It also provides a new way to think about the adaptations of ecosystem, and help us to avoid economic damages from explosion of herbivorous consumers in response to environmental changes and management. It could be valuable for constructing sustainable alpine grassland.

外源性氮输入引起植被组成、物种多样性、植物光合碳分配方式、生产力等的变化已成为共识，而有关长期氮输入的级联效应（cascading effects）研究却十分缺乏。本项目基于在青藏高原高寒草甸已开展7年（2006-2012年）的氮添加实验，采用实验生态学、生理生态学、昆虫生态学、微生物生态学，以及同位素示踪技术，研究长期氮输入通过引起植物体养分含量、光合碳分配方式和植物群落组成等的变化进而对食草昆虫数量、取食行为的影响，对植物与微生物调节的土壤有效氮正反馈机制的影响，以及对凋落物分解过程的影响，阐释高寒草甸长期氮添加的级联效应的内在机制。验证假说：影响草食性昆虫适口性的植物性状能够持续存留于植物凋落物属性中，进而作用于分解者对凋落物的分解。本研究能为我们深入认识环境变化引起的生态系统各组分的作用和反馈提供新思路，增进对生态系统的响应方式的全面理解，并为制定合理的草地经营措施提供理论依据。

本项目基于长期养分添加处理下的高寒草甸生态系统开展了有关级联效应的三个实验，即：（1）长期养分添加引起的高寒植物叶片化学元素及组分的变化如何进一步影响草食性消费者的取食行为和偏好；（2）长期养分添加引起的高寒植物化学元素及组分的变化如何进一步影响凋落物的分解过程；（3）长期养分添加如何通过作用于植物光合碳分配从而进一步影响土壤有机碳库的截存。经过为期四年的实验观测，主要实验结果如下：.1..食草昆虫草原毛虫是一种广谱性植食昆虫, 主要取食10几种高寒草甸植物, 取食偏好为喜食矮嵩草和垂穗披碱草等禾本科植物。 长期氮输入引起植物体养分含量(N, P) 的改变, 但是植物体养分含量的变化并没有引起食草昆虫草原毛虫取食偏好和取食行为的改变。长期添氮引起禾本科植物优势度的增加。而伴随禾草类植物优势度提高，草原毛虫的数量也随之显著增加。因此，长期添氮引起的群落结构变化会进而引起食草昆虫数量增加，而昆虫数量的增加会提高对喜食禾草类植物的取食，进而对禾草类植物优势度起到某种程度抑制作用。这有利于维持物种共。.2..长期添氮对凋落物分解的影响依赖于氮素添加剂量和氮素的化学形态，而且这些作用因物种而异。相对于对照与低剂量氮添加，高剂量氮添加对凋落物分解有抑制作用，而且对禾草类植物影响最大，对杂草类植物次之，对豆科植物没有影响。长期添氮引起禾本科植物优势度增加, 即禾草类植物生产力和凋落物增加。而高剂量氮添加抑制了凋落物分解速率，这会是引起长期添氮处理下高寒草甸土壤碳库增加的一个可能。同时，高剂量氮素添加引起真菌PLFA多度显著降低，尤其是在氨态氮素长期添加处理下，下降幅度最高。长期添氮引起了凋落物分解速率的降低和真菌PLFA多度的降低，以及生产力的提高，植物和土壤微生物多样性的联系有待深入研究。.3..长期添氮引起的高寒草甸植物群落光合碳分配的变化依赖于氮素化学形态。氨态氮添加增加了植物光合碳向地下的分配，而硝态氮和硝酸铵的添加对植物群落光合碳分配影响不显著。另外氨态氮显著降低了土壤有机碳分解的激发效应，有利于土壤碳库的累积；而硝态氮显著提高了有机碳分解的激发效应，导致有机碳库趋于降低。硝酸铵对土壤有机碳分解的激发效应作用不显著。氨态氮添加引起了微生物多样性的变化及真菌PLFA多度的显著降低，微生物的这些变化如何通过影响有机碳分解的激发效应，进而影响有机碳截存的机制有待深入研究。