养分添加对退化典型草原的影响：从群落到物种水平

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中文摘要：过度放牧和连年刈割导致中国北方温带草原土壤肥力显著下降，发生严重退化。养分添加是退化草地恢复的有效措施，它可以驱动退化草地的恢复演替进程。为了明确氮磷两种养分添加促进退化草地恢复的互作机制，更好地把握退化草地恢复的适宜养分添加量，确定退化草地在群落、功能群和物种水平上对养分添加量的等级响应，我们在内蒙古典型草原的退化群落设置了两个不同的养分添加实验，来探究其中的机理。第一个实验是氮磷养分互作机制研究。为了探讨不同降水年型作用，在2019年和2020年在毗邻草地(相隔20m)分别建立了实验区，两块样地本底完全一致、处理完全相同，皆采用随机区组设计，设置氮添加(10.5gNm-2·a-1)、磷添加(7gPm-2·a-1)、氮磷共同添加((10.5gN+7gP)·m-2·a-1)和无养分添加(CK)4个处理。设置了融雪期（4月份）和雨季（7月份）两个施肥时间处理。在这一实验中，我们重点研究了群落地上牛物量、物种多样性、功能群地上生物量、相对生物量、密度、相对密度、不同物种养分重吸收对养分添加的响应。第二个实验是氮磷养分梯度添加实验，我们采取同步添加氮、磷养分的措施，参考该区域农田氮、磷养分的添加比例(N∶P≈3∶1)，设置了6个水平的养分添加梯度处理(N0P0,CK;N1P1,4.8gNm-2,1.5gPm-2;N2P2,7.2gNm-2,2.25gPm-2;N3P3,9.6gNm-2,3.0gPm-2;N4P4,12.0gNm-2,3.75gPm-2;N5P5,14.4gNm-2,4.5gPm-2)，采用免耕播种机于融雪期条播施入土壤。与第一个实验不同，第二个实验采用条带处理，方便播种机作业。两个实验的主要结果如下: 1氮磷养分互作机制实验: (1)在群落水平，融雪期（4月份）施肥效果不受年际间降水差异的影响，对群落地上生物量具有稳定显著的促进作用，且氮磷共同添加比单独添加氮或磷效果更好，具有协同作用。雨季（7月份）施肥效果因年际间降水的不同而存在显著差异，在正常降雨年份施肥效果不明显，在多雨年份才能达到显著促进水平，但促进效果仍然弱于融雪期施肥。物种多样性在实验中未发现明显变化。 (2)在功能群水平，年际间降水差异导致功能群对养分添加的响应不同。在2019年，氮磷共同添加显著促进行了一年生植物的地上生物量和相对生物量，融雪期施肥的促进效果显著强于生长期。在2020年，养分添加显著促进了多年生根茎禾草的地上生物量和密度，其中融雪期氮磷共同添加对多年生根茎禾草的促进作用明显强于生长期。除此之外，融雪期氮磷共同添加还促进了多年生丛生禾草的地上生物量。 (3)在物种水平，养分添加显著提高了羊草、大针茅、冰草和糙隐子草的叶片氮磷含量，这种增益效果与施肥时间无关。单独氮添加让羊草、冰草和大针茅从氮限制可能逐渐转变为磷限制，单独磷添加加剧了四种禾草所受的氮限制程度，氮磷共同添加后四种禾草仍然表现为氮限制。氮添加和氮磷共同添加在一定程度上抑制了冰草和糙隐子草的氮重吸收效率，磷添加和氮磷共同添加对四种禾草磷重吸收效率均有不同程度的抑制。 2.氮磷养分梯度添加实验: (1)在群落水平，群落地上生物量随养分添加梯度表现为饱和曲线响应模式，在N4P4(12.0gNm-2，3.75gPm-2)水平趋近于饱和。物种多样性在低养分添加水平(N1P1～N3P3)处理下较对照显著增加，在其余养分添加水平处理下未发生明显变化。 (2)在功能群水平，养分添加促进了多年生根茎禾草和一年生植物功能群。随着养分添加量的增加，多年生禾草在群落中优势度增加，地上生物量和密度都显著提高。一年生植物地上生物量和密度在高养分梯度添加下增加显著。多年生丛生禾草和杂类草在养分添加梯度上无显著变化。 (3)在物种水平，我们所选的来自三个不同功能群的六个物种对养分添加响应不同。羊草作为种群生物量增加者，其密度和个体大小对养分添加都做出了正响应，采取了密度和个体大小共同增加的策略，且密度的增加对种群生物量提高的贡献更大。冰草、大针茅和糙隐子草是种群生物量不变者，但其维持机制并不相同。冰草种群密度对养分添加表现为正响应，个体大小表现为负响应，二者相互拮抗，导致种群生物量无显著变化。大针茅在种群密度上表现为负响应，个体生物量在高养分密度表现为强烈正响应。糙隐子草的种群生物量表现为单峰曲线，其种群密度和个体大小对养分添加也表现为单峰曲线。星毛委陵菜和黄囊苔草作为减少者，其种群生物量减少的机制也不相同。星毛委陵菜的减少主要是因为个体生物量对养分添加的负响应，而黄囊苔草则是种群密度的降低。上述结果表明:对于内蒙古典型草地退化群落，融雪期（4月份）施肥效果比雨季（7月份）更好;氮磷共同添加对群落生物量的恢复有显著的正协同作用;当氮磷养分水平在12.0gNm-2，3.75gPm-2时，恢复效果最佳。草原植物的等级响应可以解释退化草地恢复过程中物种更替的机制。以上结论为我们解决养分添加中的技术问题（养分添加种类、添加时间以及添加量）提供了理论依据，更好地指导我们开展草地恢复工作。

作者：

戚智彦

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关键词：

退化草地氮磷养分梯度生态恢复群落结构物种多样性

授予学位：

硕士

学科专业：

生物工程

导师：

潘庆民

学位年度：

2022

学位授予单位：

中国科学院大学

语种：

中文

中图分类号：