拉合尔古生物切磋所在川西高山草甸火生态学研商中拿走新进展

植物体的养分含量与计量特征驱动着包括初级生产力形成、物种竞争、植食作用等在内的诸多基础生态学过程。目前,国内外很多研究关注了植物养分含量和计量特征的空间动态。相比之下,研究人员对植物养分的时间动态,尤其是其在全球变化情境下的年际间动态了解甚少。鉴于植物养分状态与生态系统碳固持、凋落物分解等生态系统过程的紧密关联,植物养分对于包括诸多全球变化因子在内的干扰因素响应的时间动态将会对生态系统功能的时间稳定性具有重要影响。因此,从时间尺度上深入探究植物养分状况及其对全球变化因子的响应在不同年份之间是如何变化的,将会填补该方面的知识空白。

养分回收是植物重要的养分保持策略,对环境变化较为敏感。陆地生态系统中的植物生长和生产力形成普遍受到氮、磷元素可利用性的限制。随着工业化进程和农业施肥的增加,陆地生态系统接收的大气氮沉降急剧增加。此外,随着沙尘天气的增加,我国一些地区的生态系统接收了来自沙尘中的磷沉降。关于氮磷可利用性增加对草地植物养分影响的交互作用尚不清楚。

在草地生态系统中,火是继土壤、水分、温度之后,塑造地表植被的主要力量。计划性火烧可以加快植物更新、促进凋落物归还养分、移除入侵植物,能为生态系统有序发展提供帮助。而与之相反,野火则可能给生态系统带来地面植物死亡、土壤元素损耗、土壤跑墒缺水等负面干扰,甚至威胁到人员生命安全。四川西部,亚高山和高山草地资源丰富,是全国第五大牧区。在这一区域内,受人为干扰和极端气候的影响,草地火行为相对频繁,但由于受到文化、地理等限制,草地火生态学研究长期处于空白。因此,学术界和政府管理部门对川西草地生态系统对火烧的响应机制和火生态效应知之甚少,诸如高强度火行为是否会对该地区畜牧业的可持续发展造成影响等问题,尚不得而知。

中国科学院沈阳应用生态研究所研究员吕晓涛等人依托中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站建立的草地氮沉降和火烧长期控制实验平台,研究了年降水量和年均温具有明显差异的3个年份内草地优势植物叶片氮磷元素含量和计量的年际间变化及其对氮沉降和火烧处理响应在年际间的变动情况,同时探讨了氮沉降和火烧处理对植物氮磷元素含量和计量稳定性的影响。研究结果显示,植物叶片的氮磷含量及其比例在不同年份间存在显著差异,这种年际间的变化与降水量有明显的关系。氮沉降和火烧对植物养分含量和计量比值的影响会因年份而异。氮素添加提高了植物氮素含量的年际间稳定性,但是显著降低了植物体内磷含量和氮磷比值的年际间稳定性。这项研究表明,植物养分状况对实验处理的响应并不是一成不变的,不同年份间降水和温度等自然条件的变化可能会影响其对实验处理的响应。氮沉降不仅会使得植物生长的养分限制条件发生转变,使其生长由氮限制转变为磷限制,还可能导致植物体内的磷含量和计量特征变得不稳定。该项研究有助于我们从植物营养的角度阐释氮沉降对生态系统结构和功能的影响机制。

基于此,中国科学院沈阳应用生态研究所吕晓涛等利用在锡林郭勒草原建立的氮磷添加长期控制实验平台,研究了氮磷单独和共同添加对典型草原两种优势植物——羊草和大针茅养分回收状况的影响。研究发现:氮素添加提高了羊草和大针茅两种优势植物成熟和枯萎叶片中的氮素含量,降低了叶片枯萎过程中氮素和磷素的回收效率。氮素添加对于植物叶片磷含量的影响则因物种而异。磷素添加对于植物叶片的任何养分指标均无显著影响。对于整个实验平台而言,植物成熟叶片中的氮磷含量无相关关系,但是经过植物枯萎过程中养分回收的发生,枯萎叶片中的氮磷含量紧密耦联在一起。这些结果说明,草地生态系统中植物对于氮素可利用性的变化更为敏感。更为重要的是,该研究揭示了植物养分回收是植物在养分富集情况下调节体内氮磷元素耦合的重要机制。以上研究结果发表于新京葡娱乐场388官网 ,Plant
and Soil
杂志。

2010年,甘孜州道孚县发生了举国震惊的“12.5”特大草地火灾,草场过火面积约500亩,给当地人民群众生命安全和草地牧草资源带来了极大的损失。中国科学院成都生物研究所潘开文课题组张林等人,以此次火烧事件为背景,通过选择过火区域内不同海拔下主要优势灌木和草本植物群落为研究对象,研究火烧对草地生态系统中土壤和主要植物叶片的元素生态计量关系变化的影响效应。研究发现,高山草甸过火后,土壤氮含量显著降低,磷、钾含量基本保持不变,土壤氮磷比、氮钾比明显降低,标志着火烧造成土壤氮素的大量损失,土壤氮相对磷、钾而言,供应更加缺乏。受此影响,多数非豆科优势植物叶片氮浓度降低,碳氮比增加,叶片质量下降,而豆科植物叶片碳氮浓度及其比值不受火烧的影响。同时,土壤氮磷、氮钾等计量关系的变化也使土壤微生物群落组成发生改变,对过火地土壤地力造成潜在影响。该区域内常有“刀耕火种”的古老耕作习惯,该研究结果与传统意义上的该区域内“烧山肥地”的观点不一致,文章结果意味着高强度火烧将造成草地土壤肥力恶化,进而影响畜牧业的可持续发展;因此,火烧作为川西丘状高原地区提高草场肥力的技术手段需谨慎实施。另一方面,在未来草地火灾后的植被恢复中,应格外注意对土壤元素平衡的人为干预,如添加氮、磷等营养元素,补植固氮草本植物等,从而加快受损草场土壤肥力和牧草资源的快速恢复。

该项研究以Temporal variability of foliar nutrients: responses to
nitrogen deposition and prescribed fire in a temperate steppe

为题,发表在Biogeochemistry 期刊(DOI
10.1007/s10533-017-0333-x)。该项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会的支持。

论文信息:Xiao-Tao Lü*, Sasha Reed, Qiang Yu, Xingguo Han. 2016.
Nutrient resorption helps drive intra-specific coupling of foliar
nitrogen and phosphorus under nutrient-enriched conditions.
Plant and
Soil
, 398:111-120.

研究成果以Post-wildfire soil and plant foliar nutrient ratio s and
soilfungi : bacterial ratios in alpine meadows on thesoutheastern
Qinghai-Tibet Plateau
为题,发表于国际火行为研究杂志International
Journal of Wildland Fire

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