气候变化对青藏高原高寒草甸生态系统生物固氮的影响

Biological nitrogen fixation (BNF) is the major source of “new” N inputs into the unmanaged terrestrial ecosystems. Legume plant is one of the major N fixers. However, the percentage of community aboveground biomass of legume plant is much lower in Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) than in most other natural grasslands around the world, possibly due to the low growing-season temperature. The fast climate change (e.g., warming and altered precipitation) during the past five decades on the QTP may significantly affect the growth of legume plant and thus the ecosystem BNF. On the one hand, climate change may affect the symbiotic BNF by changing the species compositions and biomass of legume plant; on the other hand, it may affect the asymbiotic N fixation (e.g., associated and free-living BNF) by regulating soil moisture and nutrient availability in the plant-soil system. This study will be carried out on a warming and altered precipitation platform in the alpine meadow ecosystem on the QTP. By using the 15N stable isotopic technique, we will determine the symbiotic BNF of legume plant. By using the in-situ Acetylene Reduction Assay (ARA) and 15N2 tracing technique, we will determine the ecosystem BNF. Finally, combining with the data collection of plant specie compositions and environmental factors, we will figure out the seasonal dynamics of ecosystem BNF, and the relative contribution of symbiotic and asymbiotic BNF to ecosystem BNF under different warming and altered precipitation. The results of this study can be used to predict the dynamics of ecosystem BNF and adaptive management of grassland under future climate change scenarios.

生物固氮是自然状态下陆地生态系统新增可利用氮素的主要来源。作为生物固氮的主要参与者—豆科植物，其相对生物量在青藏高原总体低于全球水平，原因之一是受生长季低温的限制。近50年青藏高原的快速气候变化，可能对豆科植物，乃至生态系统生物固氮产生重要影响。因为气候变化一方面可改变豆科植物的物种组成和生物量等，调节其共生固氮；另一方面可调控土壤-植物系统的水分和有效养分，作用于非共生固氮（如联合固氮和自由固氮等）。本项目拟利用申请者课题组在青海海北高寒草甸设置的增温×降水控制实验平台，通过稳定同位素15N技术测定豆科植物共生固氮，乙炔还原法和15N2示踪法测定生态系统总生物固氮，结合物种组成、环境因素的测定等，明确总生物固氮的季节动态，并从共生固氮和非共生固氮的相对贡献等方面揭示气候变化如何影响生物来源的氮输入。本研究可为预测未来气候变化情景下生态系统生物固氮的变化趋势及草地的适应性管理提供科学依据。

生物固氮是自然生态系统新增可利用氮素的主要来源，是生态系统碳氮循环的重要环节。准确评估生物固氮对气候变化的响应，是评估生态系统碳氮循环响应气候变化的重要内容。青藏高原正在经历的温暖化和降水格局改变，已对高寒草地植被物候和生产力格局产生重要影响，是否会引起豆科生物量和固氮速率的显著改变，目前尚不清楚。.本项目利用青海海北高寒草甸的增温×降水控制实验平台，连续8年观测了豆科物种和功能群生物量对气候变化的响应；通过稳定同位素15N技术，测定了豆科植物的固氮百分率和固氮速率；采用结构方程模型分析了气候变化对生物固氮的可能影响机制；补充了单物种增温实验和养分添加实验以进一步检验热量和养分变化对豆科植物的影响。.结果显示，高寒草甸豆科地上部生物固氮速率为0.47±0.06 g N m-2 yr-1；增温和减水均成倍提高了豆科功能群生物速率，分别达到对照的2.0和2.8倍；而增水则无显著影响。暖干化对生物固氮的促进作用，有助于减缓全球变化背景下高寒草地的土壤氮损失和植物氮胁迫。.气候变化对豆科生物固氮的影响机制因豆科物种及其固氮策略而异。扁蓿豆喜温耐旱，棘豆喜凉耐湿，高山豆生态位较广，对水热变化相对不敏感。扁蓿豆和高山豆均为兼性固氮，植物功能性状的可塑性强，其固氮速率对气候变化的响应受到生物量（总吸氮量）和固氮能力（即固氮百分率%Ndfa）变化的双重调控；而棘豆为专性固氮，植物功能性状稳定，其固氮速率变化主要取决于生物量的变化。当气候从湿润向干旱、从凉爽向温暖转变时，棘豆和扁蓿豆固氮速率呈此消彼长的趋势，这种互补作用有助于维持和提高高寒草地生物固氮速率。