青藏高原高寒草甸植物群落对长期氮添加终止初期的响应

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中文摘要：二十世纪初，工业及农业领域对含氮化合物的广泛使用，导致全球范围内大气氮沉降率急剧上升，并对生物多样性和生态系统功能造成严重危害。多项自然条件下的氮沉降观测实验以及人为氮添加控制实验证明，大气氮沉降的增加已经在多个类型的生态系统中造成植物多样性下降、土壤酸化，和土壤微生物群落组成改变等负面效应。近年来，随着中国，美国和欧洲地区的部分国家对含氮化合物使用和排放的严格监管，过去二十年这些地区的氮沉降水平呈现出下降趋势。这一环境变化提醒我们需要进一步关注环境胁迫减弱后的生态系统恢复情况。然而，很少有研究关注氮沉降减缓以及氮添加终止对生态系统功能和物种多样性的影响，氮沉降减缓对植物群落以及土壤环境的影响仍存在较大的研究空白。基于上述研究背景，本研究在位于青藏高原东部的甘南草原生态系统国家野外科学观测研究站设置了不同梯度的长期施氮背景下的施肥终止实验（0, 5, 10, 15 g N m-2 year-1）。其中长期施氮实验开始于 2011年，停止施氮后的恢复实验开始于连续施氮十年后的 2021年春季。截止 2023年冬季，施氮实验共进行 13年（2011-2023），施氮终止后的恢复实验共进行 3年（2021-2023）。本研究旨在通过比较生态系统地上植物群落动态和地下土壤理化性质分别在持续施氮处理下，施氮终止处理下以及对照水平之间的差异，探究驱动植物群落物种多样性恢复的具体机制。本研究的主要结果如下：（1）长期施氮条件导致青藏高原高寒草甸生态系统物种多样性下降的原因主要是由于氮介导下物种间资源竞争能力的差异增大，表现为氮输入导致土壤养分中速效氮、速效磷含量升高，促进了优势物种的生长，增大其竞争能力。同时，优势物种对光的遮盖作用降低了冠层下（尤其是近地表层）的透光率，加剧群落内光资源的不对称分配，从而导致稀有物种的竞争能力下降，并最终造成部分物种的丧失。（2）在施氮终止后，植物群落的物种丰富度，均匀度以及香农威纳指数均显著升高；地表透光率、稀有物种和中间物种的竞争能力也显著提高，优势物种的竞争能力显著下降，植物群落地上生产力弱显著下降；土壤速效氮、速效磷和总氮含量也在氮添加终止后显著下降。（3）在 N5梯度下，各指标在施氮终止后最接近 N0水平；而 N15梯度下，各指标在施氮终止后向 N0水平趋近速度最快。（4）施氮终止之后，物种多样性回升主要来源于地下土壤养分对优势物种的促进作用减弱，以及地表透光率的增强和稀有物种竞争能力的升高。本研究通过探究不同梯度施氮的遗留效应在施氮终止后对高寒草甸生态系统恢复的影响，揭示了植物群落及土壤环境的恢复表现和物种多样性升高的具体原因。同时强调中间物种在氮添加终止后的快速生长将成为物种多样性恢复主要阻力，而增强稀有物种竞争能力是维持物种多样性稳定恢复的关键。本研究扩充了氮沉降减缓后植物群落恢复的证据，并在全球多地区大气氮沉降率下降的背景下，为物种多样性恢复工作提供了切实有效的建议。

作者：

白杨

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关键词：

高寒草甸植物群落物种多样性土壤理化性质持续施氮处理施氮终止处理

授予学位：

硕士

学科专业：

生态学

导师：

张鹏飞

学位年度：

2024

学位授予单位：

兰州大学

语种：

中文

中图分类号：