黄土高原典型草原植被群落和土壤微生物养分利用特征对降水和氮沉降的响应

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降水变化和氮沉降增加是全球变化的两个重要方面,对草地生态系统结构和功能产生重要影响。典型草原是黄土高原主要植被类型之一,对全球变化极为敏感,生态环境脆弱,已有学者在此区域开展降水或氮沉降对植物群落特征、土壤理化性质和微生物特征等影响的研究,但对于降水和氮沉降两者交互作用对黄土高原生态系统影响的研究还较少。因此,本研究在黄土高原典型草原设置了降水量变化(W-,减少30%自然降水、W0,自然降水、W+,增加30%自然降水)和氮素添加(N0、N1、N2,氮添加量分别为0,2.3,9.2 g N m-2 y-1)的双因素控制试验。本试验探究了黄土高原典型草原的植被群落和土壤微生物养分利用特征对降水、氮沉降及其交互作用的响应,旨在深入理解降水和氮沉降对典型草原生态系统结构与功能的影响,为科学评估与预测未来降水变化和大气氮沉降共同作用下黄土高原的主要生态环境效应提供科学依据。主要结论如下:1.降水改变对黄土高原典型草原植被群落多样性、生物量的变化起主导作用。减少降水显著降低植被群落多样性、盖度和生物量,增加降水显著提高了盖度和生物量;氮添加显著提高除豆科植物外的地上生物量、地下生物量和总生物量,低氮添加(N1)显著提高草地总盖度。氮添加促进了地上生物量对增水的正响应,缓解了减水对总生物量的抑制,加剧了减水对草地总盖度的限制。植被群落稳定性在降水增减和氮添加下显著降低。植被群落多样性、生产力和稳定性与土壤含水量(SWC)、土壤有机碳(SOC)、溶解性有机养分呈显著正相关。2.除土壤铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)显著提高外,减少降水普遍抑制土壤溶解性有机碳、氮、磷(DOC、DON、DOP)和微生物生物量碳、氮、磷(MBC、MBN、MBP);增加降水提高SWC、SOC、MBC、MBN、MBP和碳(C)、氮(N)、磷(P)获取酶活性。氮添加显著降低了SWC、DOC和N、P获取酶活性,缓解了土壤N匮乏,提高了全氮(TN)、DON、MBN等。氮添加抑制了增水对SWC的正效应,加剧了减水对DOC、DON、MBN的负效应;减水提高了氮添加对NH4+-N的正效应,增水促进氮添加对MBC、MBN和MBP的正效应。土壤微生物生物量和土壤酶活性与SWC、DOC、SOC呈显著正相关。3.减少降水显著降低了土壤C:P和N:P不平衡,增加降水降低C:P不平衡;氮添加显著降低C:N、C:P不平衡,提高了N:P不平衡。微生物通过调控土壤胞外酶生产和元素阈值比,维持自身化学计量内稳态,以应对降水和氮添加及其交互作用引起的化学计量不平衡。4.降水、氮添加及其交互作用通过影响土壤含水量、土壤溶解性有机养分等因素,影响土壤微生物量以及胞外酶活性,使典型草原植被群落和微生物养分利用特征发生改变。
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