水氮添加对内蒙古温带典型草原植被氮含量季节和年际动态的影响

发布时间：2021-04-17 07:06

　　作为对全球变化响应最敏感的生态系统类型之一,草原生态系统植被氮含量的季节、年际变化及其对气候变化（氮沉降、降水格局改变）的响应研究相对匮乏。基于内蒙古温带典型草原5年的氮添加(10 g N m^-2 a^-1)和水添加（添加量80 mm,分2 mm×40次、5 mm×16次、10 mm×8次、20 mm×4次、40 mm×2次5种处理）控制试验分析了水氮添加后植被氮含量在生态系统和物种两个水平的季节和年际变化。结果表明,高强度水添加处理有降低（10 mm/次和40 mm/次）生态系统氮含量的趋势,但不显著,小强度水添加处理（2 mm/次、5 mm/次）在不同年份之间无一致的升高或降低趋势,但所有水添加处理有降低两种优势物种整个生长季氮含量的趋势。氮添加促进生态系统和两种优势物种整个生长季的氮含量,但该促进作用可被水添加抵消,且这种抵消作用随水氮添加年限的延长而加剧。水氮添加均增加了生态系统氮含量的年际变异,但对特定物种季节内变异的影响在湿润和干旱年份存在一定差异。本研究将为预测草原生态系统对未来氮沉降增加和降水格局改变的响应及模型改进提供科学依据... 

【文章来源】：生态学报. 2020,40(10)北大核心CSCD

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

氮添加对内蒙古温带草原生态系统氮含量的影响及其水分的调节作用

不同强度和频次水添加对生态系统氮含量无显著影响,但增加了生态系统氮含量年际之间的变异性,且10 mm/次和40 mm/次的水添加处理有降低生态系统氮含量的趋势,而20 mm/次的水添加处理则有增加生态系统氮含量的趋势,小强度水添加(2 mm/次、5 mm/次的水添加处理)则无明显规律。理论上讲,水添加通过增加土壤水分,一方面提高土壤微生物的活动,促进凋落物分解,增加植被可获取的土壤氮元素[13, 16],从而提高植物氮吸收和氮含量,而另一方面,水分的提高缓解了干旱区温带草原的水分限制,提高了植被生物量,在土壤氮库有限的情况下,植被氮含量可能会降低。以往的研究发现,在内蒙古温带草原3 mm降水即可引起土壤微生物活动的加强[26]。所以本研究中所有的水添加强度均可增强微生物活动,且由于较小的水添加强度虽然土壤水分维持时间短,但是添加次数多,而高强度降水虽然每次降水后高土壤水分持续时间长,但添加次数少,所以总体来说,激发微生物活动的总效应应该是小强度水添加方式更有优势,尤其是2 mm/次的水添加处理。水添加后激发微生物活动而释放的氮能否提高植被的氮含量取决于植被对氮利用的有效性。40 mm/次的水添加处理在本研究区域相当于极端降水(日降水量高于40 mm/次的天数占全年总降水天数的比例低于1%),由于该地区长期受土壤水分限制,且40 mm/次的水添加处理增水次数少,所以在干旱年份缓解植被水分限制的能力有限,植被不能有效利用土壤中的氮,而极端降水还可能引起土壤无机氮的淋溶,因此有降低植被氮含量的趋势。与之相反,10 mm/次和20 mm/次的水添加处理由于水添加次数的增加,增加了植被处于适宜土壤水分的时间,提高了植被利用氮的效率,同时又不至于产生淋溶,应该有增加生态系统的氮含量的趋势。但本研究中的10 mm/次的水添加处理却观测到了相反的结果,以往研究发现该地区植被生长随10 mm/次降水事件的增多而增长[27],同时降水引起的土壤氮库增加幅度有限,氮库一定时生物量的增加导致植被氮含量降低。而小强度水添加(2 mm/次、5 mm/次的水添加处理)对土壤水分的改变有限,即缓解植被水分限制的能力有限,所以强度小次数多的水添加处理如何影响植被氮含量取决于自然降水事件的分布情况,如果水添加后有大的自然降水出现,大降水带来的高土壤水分可促进植物生理活动,从而有效利用小强度水添加后释放的无机氮,否则水添加释放的无机氮可能以NOx的形式释放[23],所以本研究中这两个处理对生态系统氮含量的影响无明显规律。由于研究区生物量较低,所以土壤相对贫瘠,而水添加后土壤氮的释放多少取决于土壤底物的量,所以本研究没有观测到水添加显著提高或降低植被氮含量的结果。水添加对生态系统氮含量的改变虽不显著,但其对氮含量增加和降低的趋势提高了生态系统氮含量的年际变异性。水添加对两种优势植物的氮含量及其季节动态的影响不显著,但有降低两种优势植物氮含量的趋势,尤其是生长季早期,且在干旱和湿润年份分别增加冷蒿和针茅的季节内变异。水添加对两种优势植物氮含量及其季节动态的影响机理与上述相同,同样取决于水添加后植被受水分限制的缓解程度和土壤释放的无机氮利用有效性,只是由于观测频率的增加,加之自然降水的复杂性,不同水添加处理间的差异难以得到明确的趋势,这是今后本试验过程中需要思考和改进的地方。但是同样可以得到水添加有降低两种优势植物氮含量的结果,说明仍然由水添加带来的植被生长加速、淋溶或水添加后土壤释放的无机氮利用有效性较低导致。该研究结果与同一类型草原的研究结论相一致[8, 28],如岳喜元等[8]在锡林郭勒典型草原的研究发现,随着降水量的减少,叶片氮含量增加。其他生态系统类型也发现了轻度干旱能增强植被氮吸收和积累的结果[29]。

内蒙古温带草原主要优势种(冷蒿和针茅)氮含量季节内变异相对较为稳定,除2015年冷蒿氮含量季节内变异性较小之外,两个物种氮含量的季节内变异系数在0.14—0.2之间。水添加在最干旱的2015年较大的增加了冷蒿氮含量的季节内变异,但10 mm/次的水添加处理相对较大的降低了冷蒿氮含量的季节内变异。而在较湿润的2016—2017年则有降低冷蒿氮含量的季节内变异的趋势,但降低幅度较小。与冷蒿不同,水添加在中等降水的2017年相对较高的提高了针茅氮含量的季节内变异,其他年份则或降低或增加其氮含量季节内变异,但改变幅度较小(表2)。氮添加在最干旱的2015年增加了冷蒿氮含量的季节内变异性,而水氮同时添加后其季节内变异性的提高幅度进一步增加(表3)。而相对较湿润的2016—2017年则有降低冷蒿氮含量季节内变异的趋势,但降低幅度较小,只有水分以40 mm/次的方式添加时,氮添加对冷蒿氮含量季节变异的降低幅度较大。与冷蒿相反,氮添加在最干旱的2015年较大幅度的降低了针茅氮含量的季节内变异性,而在水添加后其降低幅度减少。在中等降水的2017年则增加了针茅氮含量的季节内变异性,且水添加后其增加幅度升高(表3)。图2 氮添加对内蒙古温带草原生态系统氮含量的影响及其水分的调节作用

【参考文献】：
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硕士论文
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本文编号：3143021