氮磷添加对高寒草甸植物主要养分循环过程的影响

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由于人类生产活动和工业化加剧导致陆地生态系统氮沉降增加和磷元素分配不均。作为生态脆弱区和气候敏感区,青藏高原高寒草甸系统因全球变化而引起的养分循环变化理应受到关注。养分重吸收和凋落物分解是陆地生态系统养分循环两个主要环节。但目前尚没有研究对养分改变后高寒草甸植物养分循环进行全面报道。  本实验以高寒草甸常见植物为研究对象,设置不同浓度氮添加实验以及氮×磷双因素施肥实验,研究了养分添加对15种植物物种及功能群(莎草、禾草、豆科、杂草)水平养分重吸收效率的影响、氮磷双因素对4种植物凋落物质量及其分解速率和养分释放的影响。同时,选取了四种代表性物种:矮嵩草(Kobresia humilis),异针茅(Stipa aliena),高山豆(Tibetia himalaica)和麻花艽(Gentiana straminea),设置7个不同组合,研究凋落物的混合分解效应及其机制。主要结果和结论如下:  养分添加对高寒草甸植物氮重吸收效率的改变首先表现为物种特异性。15种植物中,9种植物氮重吸收效率和7种植物磷重吸收效率分别在氮添加处理后显著低于对照。物种水平上,氮添加显著改变植物氮和磷的重吸收效率。功能群氮重吸收效率在添加氮或磷后没有显著变化,在4个功能群中分别为莎草>禾草>杂草>豆科。  磷添加对高寒草甸物种和功能群水平磷重吸收效率影响显著。15种植物中有11种植物的磷重吸收效率在磷添加或氮磷同施后显著低于对照。单独磷添加处理后,莎草平均磷重吸收效率由56.70%降低到12.18%,禾草平均磷重吸收效率由43.41%降低到25.05%,豆科平均磷重吸收效率由35.45%降低到26.94%,杂草平均磷重吸收效率由43.33%降低到33.67%。综合15种植物的氮、磷重吸收效率与成熟叶片化学成分的关系,氮、磷重吸收效率分别与成熟叶片中总碳含量和C∶P比相关性最显著。  养分添加对植物叶片凋落物初始质量和分解速率的改变因物种而异。单独氮添加导致矮嵩草,异针茅叶片凋落物氮含量分别由对照的0.78%和1.13%增加到1.20%和1.67%,但是对高山豆和麻花艽叶片凋落物氮含量改变不明显。磷添加显著增大4种植物叶片凋落物磷含量。麻花艽凋落物木质素含量在氮添加,磷添加以及氮磷同施后由对照的8.32%分别降低为6.31%、6.00%和5.06%。养分添加对4种植物叶片凋落物纤维素,半纤维素含量均无显著改变。矮嵩草,异针茅,麻花艽这3种植物叶片凋落物分解速率分别在不同养分添加处理后显著高于对照,但高山豆分解速率在养分添加后出现降低的趋势,其中氮添加处理显著降低了高山豆的分解速率。除高山豆凋落物在分解过程中一直呈现氮的释放,其他3种凋落物氮在分解过程中都分别出现固持和释放交替出现的现象。磷单独添加和氮磷同施后,4种植物凋落物磷的释放显著加快。植物凋落物分解速率与叶片凋落物中难分解碳相关性最显著,氮释放与凋落物初始C∶N相关性最显著,磷释放与凋落物初始磷含量相关性最显著。叶片凋落物碳含量既限制凋落物分解速率,又限制凋落物养分释放。养分添加最终通过影响凋落物的初始氮磷含量显著促进了叶片凋落物中氮和磷的释放,但是对于分解速率的影响不显著。  凋落物混合分解效应在不同的组合中差异明显。7个凋落物组合中,2个组合分解速率表现为协同作用,1个组合分解速率表现为拮抗作用;3个组合的氮释放显著高于期望值,表现为协同作用;3个组合磷释放表现为拮抗作用,2个组合表现为协同作用。混合凋落物分解速率与凋落物N∶P相关性最大,说明各组份凋落物初始质量的重要性。而氮释放速率与初始C∶N相关性最大,磷释放速率与初始磷含量相关性最大。  综上所述,本研究通过模拟养分添加,对青藏高原高寒草甸养分主要循环过程有了比较全面的了解:高寒草甸植物氮的重吸收效率主要取决于物种和功能群对氮的利用策略,与土壤可利用养分关系不大;但是土壤中可利用性磷含量增加能够降低磷的重吸收效率。养分添加可以通过影响凋落物的质量而影响养分的释放。凋落物混合分解效应与混合组分的初始质量有显著的关系。
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