增温和氮素添加对内蒙古短花针茅荒漠草原植物群落、土壤及生态系统碳交换的影响

摘要

过去的两个世纪，由于人类活动的影响，地球表面的温度和大气 N沉降持续增加对植被，土壤及全球生态系统的碳循环产生深远的影响。陆地生态系统对全球气候的变化有重要的调控作用。作为陆地生态系统最重要的生物区系之一，草地占全球陆地植被面积的40％，但是人们对草地系统，尤其是荒漠草地生态系统在全球变化背景下的动态仍缺乏认识。本研究依托内蒙古四子王旗荒漠草原农牧科学院实验基地为研究平台，研究了增温和施氮处理下荒漠草原植物群落、土壤和生态系统碳交换的变化，探索了荒漠草原生态系统对全球气候变化的响应机制，为全球变化与陆地生态系统关系提供可靠的理论依据。该试验开始于2006年6月，设置有增温（增温、不增温）为主处理处理方式，施肥（施氮、不施氮）为副处理方式，采用裂区设计，共计24个试验小区。
　　实验期间（2006-2009），与对照相比，增温处理样地0cm，10cm，15cm，30cm平均增加了1.2℃，0.87℃，0.86℃和0.77℃，土壤温度随土壤土层的增加逐渐降低（P<0.05）。通过2007-2009年对土壤营养成分的调查，我们发现增温提高了土壤有机碳的含量，而氮的添加没有改变有机碳的含量。无论怎样，2007-2009年增温和氮的添加都没有影响土壤总氮的含量。铵态氮、硝态氮与不同土壤深度的土壤温度均成正相关关系，土壤温度升高使土壤中铵态氮和硝态氮含量均增加。增温，施氮以及增温施氮的互作效应没有影响土壤总氮铵态氮的含量。增温显著增加了2008年（P=0.02）和2009年（P=0.01）土壤硝态氮的含量，而没有影响2007年土壤硝态氮的含量（P=0.36）。
　　增温对各年内土壤呼吸没有产生显著影响，但土壤呼吸有明显的季节变化，而且与增温显著相关（P<0.05）。施氮对荒漠草地的影响程度与自然条件有密切关系，其中降雨量多少是施氮对荒漠草地土壤呼吸影响程度的重要制约因素，降雨量越高氮素对土壤呼吸作用愈加明显。施氮显著增加了植物群落的地下生物量<0.05），土壤呼吸与地下生物量呈显著的正相关（P<0.001）。（P
　　增温降低了几个物种的地上生物量从而降低了植物群落的地上生物量。同时，我们也发现在降雨量相对充足的2008年，氮素的作用更为明显，氮的添加显著增加了地上部分净初级生产力（ANPP）。通过主成分响应曲线分析（PRC），2008年氮的添加导致了占优势的植物物种转变，即一二年生的植物物种在植物群落中所占的比例增加。氮的添加增加了植物组织的地上部分的含氮量从而提高了牧草的品质。增温施氮的互作效应也影响植物群落的地上部分生产力和植物组织的地上部分的含氮量。季节降雨量的变化对群落地上部分生产力与施氮对群落的影响相一致，因此，水分和氮肥共同制约着荒漠草原群落地上部分的生长。
　　生态系统净 CO2交换（net ecosystem CO2 exchange，NEE）代表生态系统吸收或释放 CO2的能力，它由生态系统总初级生产力（gross ecosystem productivity，GEP）与呼吸（ecosystem respiration，ER）二者共同决定。2007-2009年，我们研究了增温、氮的添加及增温施氮的互作效应对 NEE、ER和GEP的影响，研究结果发现：氮的添加显著增加了 NEE、ER和GEP，但在植物生长季节氮素对 GEP的影响显著高于对 ER的影响，因此整个荒漠生态系统表现为净碳吸收；2008年，增温显著增加了 ER，但没有影响 NEE和GEP；NEE、ER和GEP与生物（地上生物量）和非生物因素（土壤温度和土壤含水量）之间呈显著的线性相关。我们的调查结果证实氮的添加显著增加了荒漠生态系统净碳吸收，而短期的增温对生态系统的碳循环没有任何影响。

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1 前言

1.1 增温

1.2 氮素添加

1.3 立题依据、研究目的和意义

2 试验地区概况、试验设计及研究方法

2.1 试验区的概况

2.2 实验设计

2.3 试验方法

3 增温施氮对土壤的影响

3.1 土壤温度

3.2 土壤含水量

3.3 增温施氮作用对土壤养分的影响

3.4 增温和施氮作用与土壤呼吸速率

3.5 不同处理下土壤呼吸速率的日变化

3.6 土壤温度、土壤含水量与年平均土壤呼吸的关系

3.7 讨论

3.8 小结

4 增温施氮作用对植物群落的影响

4.1 增温施氮对植物物种功能群的影响

4.2 植物群落中物种的优势度对增温施氮的响应

4.3 增温施氮作用对植物群落中主要物种初级生产力的影响

4.4 增温施氮作用对地上部分净初级生产力的影响

4.5 增温施氮作用对地下部分净初级生产力的影响

4.6 增温施氮作用对物种多样性的影响

4.7 增温施氮作用与主响应曲线分析

4.8 增温施氮作用对植物组织 N 的含量，13C 值及 C/N 的影响

4.9 降雨量变化的影响

4.10 讨论

4.11 小结

5 增温施氮与生态系统碳交换

5.1 增温、施氮及其互作效应对生态系统碳交换的影响

5.2 非生物因素（土壤温度、土壤含水量）和生物因素（地上部分净初级生产力）与 NEE，ER 和 GEP

5.3 讨论

5.4 小结

6 主要结论

6.1 土壤特性的变化

6.2 土壤呼吸的变化

6.3 植物群落组成和结构的变化

6.4 植物群落生物量的变化

6.5 荒漠草原生态系统碳循环的变化

7 展望

致谢

参考文献

附图

作 者 简 介