荒漠地区植被-土壤系统氮、磷生态化学计量特征对干湿交替循环的响应机制研究

In desert regions, pulsed rainfall events significantly affect balance, dynamics and stoichimetric relationships between nitrogen and phosphorus, and then which influence the patterns, processes and stability of desert ecosystems. On the context of global changes, as to plant-soil systems of desert regions, understanding the inherent mechanism of balance and stoichimetric traits between nitrogen and phosphorus in response to soil drying-rewetting is one of the research hotpot and important scientific issue. This proposal will combine field experiments and laboratory control experiments in order to quantify the nitrogen and phosphorus mineralization in response to soil drying-rewetting cycles, to understand the changes of nitrogen and phosphorus among plant and microbes with different soil drying-rewetting conditions; by using 15N tracer method, to quantify absorption and transport of nitrogen among plant, soil and soil microbes and indicate the interactive effects between nitrogen and phosphorus, and then to demonstrate the responsible mechanisms of stoichiometric traits of nitrogen and phosphorus of plant-soil system in response to soil drying-rewetting cycles, which would be the scientific basis for ecosystem management and construction of cultivated ecological protection systems.

荒漠地区脉冲降水引起的土壤干湿变化深刻影响着氮、磷元素的平衡、动态和生态化学计量特征，进而对生态系统的格局、过程以及稳定性的维持都产生重要影响。荒漠地区植被-土壤系统氮、磷平衡及生态化学计量特征应对干湿交替变化的响应机制是全球变化背景下生态系统氮、磷循环领域的研究热点和前沿科学问题。本项目将野外控制试验和室内模拟试验相结合，定量研究脉冲降水引起的土壤干湿交替循环对于土壤理化性质及氮、磷矿化过程的影响，揭示植物和土壤微生物在不同时间尺度上对于干湿交替变化的响应机制；通过稳定性同位素（15N）示踪技术，定量研究干湿交替条件下植物、土壤及土壤微生物对于氮素的吸收转运规律及其与磷素之间的互作效应，最后，综合研究植物-土壤系统氮、磷生态化学计量特征对于干湿交替的响应机制，为荒漠生态系统管理和人工生态防护体系的建设提供科学依据。

全球气候变化背景下，极端干旱和暴雨频发已成为部分地区降水事件的特征。荒漠生态系统脉冲降水引起的土壤干湿交替变化是否会影响氮、磷元素平衡关系的偏移、进而对荒漠植物群落多样性水平、土壤氮、磷矿化过程以及植被-土壤系统的氮、磷生态化学计量特征产生影响，对这些问题尚未有科学结论。鉴于此，本项目通过建立荒漠生态系统降水控制平台，设置极端干旱、干旱、增雨（2个处理）和自然降水共5个降水梯度，基于4年试验观测，系统地研究了降水变化对植被-土壤系统碳、氮、磷及其化学计量特征的影响机制。研究了荒漠植物群落物种多样性和生物量对于土壤干湿交替的响应规律，发现不同生活型植物多样性水平对降水变化响应没有显著差异；此外，荒漠草本层片的生物量对降水变化响应明显，并随降水量的增加呈线性增长趋势。研究了荒漠土壤微生物量碳、氮、磷及其计量比对降水、年际和季节的响应规律，发现微生物量碳、氮、磷对降水变化引起的土壤干湿交替的响应显著，其中极端干旱条件显著提高了土壤微生物量碳水平；微生物量碳、氮、磷的季节特征是秋季较低，而春季最高。通过研究土壤微生物群落组成及多样性水平对降水梯度变化的响应规律，发现极端干旱时细菌丰富度和多样性减少，极端干旱和降水增加提高了真菌群落的丰富度与多样性水平。量化了非生物和生物因素对于土壤微生物养分水平的作用，发现降水变化间接影响微生物量碳、氮、磷水平，土壤含水量、温度和真菌丰富度直接影响微生物量碳、氮；土壤含水量，温度和细菌丰富度直接影响微生物量磷水平。荒漠植物在随着干旱梯度的增加，根茎叶中的氮、磷含量显著下降，随着非结构性碳水化合物积累，而相对应的C:N和C:P含量显著提高。本项目系统地研究了植物-土壤系统对降水变化引起的土壤干湿交替的响应机制，依托项目发表论文12篇，授权专利9项，培养硕博士4人，获省部级奖励2项，培养青年科技人才4人。