鄱阳湖流域植物化学计量内稳性、群落结构和生产力对氮沉降的响应及其机制

Intensified human activities accelerate atmospheric nitrogen (N) deposition. Previous studies showed that plant with higher stoichiometric homeostasis has higher dominance and stability, and ecosystem with higher homeostasis has higher productivity and stability, which suggests that stoichiometric homeostasis is an important mechanism for maintaining the structure, function and stability of ecosystem. However, whether N deposition can change the stoichiometric homeostasis of plants and further affect the structure and function of ecosystem has yet to be clarified clearly. In addition, the mechanisms underlying changed community structure, plant productivity and loss of biodiversity induced by N deposition are still unclear. In this project, we will address these gaps by first assessing variation in stoichiometric homeostasis of plant species, biodiversity and productivity in the long-term N addition experiment in red soil hilly Poyang Lake watershed. In addition, we will do an incubation experiment with sand to test whether the variation in stoichiometric homeostasis of plant species will be inherited by planting the seeds derived from the long-term N addition experiment. Finally, we will explore the implications of alterations in stoichiometric homeostasis of plant species on plant community structure, biodiversity and function. This project will provide information on how N deposition affects the structure and function of terrestrial ecosystem.

随着人类活动的加剧，大气氮沉降速率逐渐增加。有研究表明，化学计量内稳性高的植物具有较高的优势度和稳定性，且内稳性高的生态系统其生产力和稳定性也较高，说明化学计量内稳性是植物生态系统结构、功能和稳定性维持的重要机制。然而，长期氮沉降是否会改变植物的化学计量内稳性，进而影响植物生态系统的结构和功能尚不明确；且氮沉降造成的群落结构和生产力的变化以及生物多样性下降的机理尚不清楚。本项目利用鄱阳湖流域红壤丘陵综合开发试验站长期氮添加实验平台，运用生态化学计量学方法，分析氮添加对植物群落物种组成、生物多样性和生产力以及化学计量内稳性的影响；在室内通过沙培实验来模拟氮沉降实验，研究植物种子化学计量内稳性的变化是否可以遗传；从化学计量内稳性角度，针对其可能的变化，分析氮沉降造成群落结构、生物多样性和生产力改变的机理。研究结果可为探讨氮沉降对陆地生态系统结构和功能的影响提供科学依据。

在氮沉降的背景下，氮添加会影响植物的内稳性和优势度，且内稳性高的生态系统其生产力和稳定性也较高。本项目以江西省泰和县石溪退化红壤林地土壤为研究对象，开展植物化学计量在土壤微生物能量和养分资源限制状况。利用荧光分析法测定其碳氮磷循环关键过程中的β-1, 4-葡萄糖苷酶（BG）、β-1, 4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和磷酸酶（ACP）的活性。施用化肥的土壤，覆膜使Olsen-P和NO3 - -N分别降低至不覆膜土壤的48%~62%和16%~24%；而有机-无机配施的土壤，两者在覆膜条件下分别提高了144%~203% 和1.9-5.1倍。覆膜下SOC:TN在有机-无机配施土壤中降低了6.6%-25.8%，而SOC:TP和TN:TP却显著增加。覆膜土壤中MBC含量均显著低于不覆膜的土壤，然而由于MBN和MBP也随之降低，MBC:MBN和MBC:MBP 无显著差异；覆膜使MBN:MBP在S1和S2分别降低了36.6%和23.8%，而在S3和S4中分别提高了5.4和1.3倍。土壤中NAG:ACP计量比与微生物生物量中相对应的元素的计量比趋势相似；而覆膜下BG:NAG在有机-无机配施土壤中比单施化肥提高了1.3-15倍。结果表明，覆膜降低土壤养分的有效性，通过有机-无机配施的方式可以一定程度上缓解覆膜土壤养分的限制。通过深化对地膜覆盖后土壤微生物对养分循环响应的认识，为地膜的合理使用提供理论依据。文章为阐明杉木林土壤重金属含量及其与环境因子的关系，对杉木林进行氮磷添加，设置4个不同处理（CK、N1、N2和P）， 测定了土壤 Cr、Cu、Fe、Mn 和 Zn 含量以及土壤基本理化性质。结果表明：N、P 添加后，在 6 种处理中，杉木林土壤重金属的 含量 Fe>Mn>Cr>Cu>Zn，Cr 和 Cu 的相对增加量为正值，而 Mn 和 Zn 相对增加量基本为负值。Pearson 相关分析表明 pH 与 Fe 表现 出显著正相关性，并且重金属元素之间也有一定的相关性。冗余分析表明全磷和 pH 值对土壤金属 Cr 和 Cu 活性的影响较大，土 壤全碳、全氮和含水量对金属 Mn、Zn 和 Fe 活性较大。路径分析表明各影响因素之间的直接和间接效应最终通过级联效应影响重金属活性。