摘要
人类活动持续影响着全球的氮循环，导致全球范围内许多陆地生态系统的活性氮沉降量显著增加。我国已经成为氮沉降的热点地区之一。我国草地面积广阔，在经济发展、生态环境保护等方面发挥着不可替代的作用。内蒙古东北部的草甸草原区自然氮沉降量很低，在该地区开展氮沉降研究能够有利于反映氮沉降对草地生态系统的初始影响。氮沉降组分主要是无机氮、有机氮，并伴随硫沉降。目前，关于氮沉降的研究多集中在单一化合物的添加，不同氮化合物添加对群落结构和功能的影响是否相同，这一问题尚未有明确的答案。刈割作为全球广泛使用的草地生态系统管理方式，能够改变草地群落的物种组成并影响光、热、水等环境因子，从而可能在一定程度上缓和或加剧氮沉降对草地生态系统功能和过程的影响。因此，现有的模拟氮沉降的实验不能全面的来评估氮沉降对生态系统结构和功能的影响，要同时考虑氮素增加的数量和形态及刈割的影响。 本研究依托中国科学院沈阳应用生态研究所额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站设置的氮素化合物添加实验平台开展。该平台采用完全随机区组设计，分别以6种添加水平（0、2、5、10、20、50g N m-2yr-1）添加5种不同的含氮化合物:尿素(CO(NH2)2)、缓释尿素(slow-release CO(NH2)2)、碳酸氢铵(NH4HCO3)、硝酸铵(NH4NO3)和硫酸铵((NH4)2SO4)，涉及刈割和不刈割2种草地管理方式，共60个处理，每个处理重复8次。在2014-2018年间，开展了植物群落物种丰富度、物种均匀度、β多样性、地上生产力和时间稳定性以及牧草品质对不同氮素化合物类型和添加量的响应规律及相关机理研究。得到如下结果: (1)物种丰富度随着氮素添加水平和添加年限的增加而降低;不同氮素化合物对物种丰富度影响显著不同，硝酸铵和硫酸铵添加处理使物种丰富度下降幅度最大;物种丰富度的下降主要是由于土壤酸化效应和铵毒效应;刈割能够显著削弱氮添加对物种丰富度的负效应。 (2)物种均匀度随着氮素添加水平和添加年限的增加而降低，主要是由优势物种根茎禾草羊草生物量的增加引起的;不同氮素化合物对物种均匀度的影响显著不同，其中硫酸铵处理使物种均匀度下降的最多;刈割显著降低羊草的优势度从而削弱氮添加对植物多样性的降低作用，说明草地管理方式（刈割）在调节氮添加对草地生态系统群落结构影响方面起着极其重要的作用。 (3)氮素添加改变了空间和时间β多样性。基于物种有无的空间β多样性(βsor)随着氮添加量的增加有先降低后增加的趋势，这一变化主要是由物种周转(βsim)主导:低氮添加时促进了杂类草的生长，使各群落共有种增加，物种周转(βsim)降低。高氮添加时增加了植物群落生物量和植物的生长速度，植物群落物种周转(βsim)增加。基于物种多度的空间β多样性(βBC)随着氮素添加量的升高有先增加后降低的趋势，由多度平衡变化组分（βBC.BAL）主导。低氮添加时，常见物种相对生物量的空间差异变大，多度平衡变化组分（βBC.BAL）增加。高氮添加时群落中喜氮植物优势度显著增加，降低了多度平衡变化组分（βBC.BAL），从而使群落之间的物种组成差异下降。该结果说明计算方法的不同（是否考虑物种的多度）会导致在探讨氮素添加对植物群落空间β多样性的影响时得到不同的结果，这一点在后续的研究中应予以重视。 氮素添加增加了植物群落基于物种有无和多度的时间β多样性。基于物种有无的时间β多样性(βsor)的变化趋势主要由物种周转组分(βsim)主导，但随着氮添加量和添加年限的增加变为由嵌套组分(βsne)主导。因为氮添加使土壤酸化并产生铵毒效应，使不耐酸和铵的植物因为选择性灭绝被排挤出该系统，增加了时间变异。基于物种多度的时间β多样性（βBC）的变化趋势主要由多度平衡组分（βBC.BAL）主导，因为氮添加使喜氮植物羊草优势度增加，从而增加基于物种多度的时间变异。 (4)植物群落地上净初级生产力随氮素添加量的增加而增加，当添加量为20g N m-2yr-1时，地上生产力达到饱和;地上净初级生产力在年际间变化显著，这主要是由生长季降雨量决定的，说明该生态系统的生产力受到氮素和水分条件的共同限制;不同氮素化合物对地上生产力的影响不同，氮素化合物类型通过影响土壤理化性质、植物丰富度和优势物种的丰度来影响地上生产力;刈割通过降低土壤无机氮含量和含水量降低了地上生产力;随着氮添加量的增加生产力稳定性显著下降;刈割加剧了氮素添加条件下生产力稳定性的降低。 (5)氮添加通过增加牧草的粗蛋白含量来改善牧草品质，当氮添加量为20g Nm-2yr-1时，牧草粗蛋白的含量≥16％，牧草品质达到上等水平;牧草产量在五种氮素化合物添加时都显著增加，硫酸铵使牧草产量增加最多;缓释尿素、硝酸铵和硫酸铵处理显著提高了牧草的粗蛋白含量。基于本实验研究的结果，考虑到经济因素，我们建议在刈割条件下，添加5g N m-2yr-1的硫酸铵可以较好的改善牧草的产量和品质。 综合以上研究结果，用单一氮素化合物模拟氮沉降得到的结果可能存在偏差，不同氮素化合物在降低植物群落物种多样性，提高植物群落地上净初级生产力，降低生态系统稳定性和改善牧草品质各方面均有差异，在以后的模拟氮沉降研究中我们不仅仅要关注氮添加量变化的影响，还要关注氮素化合物类型。此外，刈割处理在调节氮添加对草地生态系统群落结构和功能影响方面起着极其重要的作用。
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