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随着全球气候和环境变化的加剧,位于亚欧内陆的温带荒漠生态系统其降雨、温度和氮沉降均发生了显著的变化,且对全球变化的响应越来越敏感。气候变化和氮沉降是引起植物生产力和生物多样性发生改变的重要驱动因子。此外,气候变化和氮沉降还与全球碳氮循环和植物化学计量学关系密切。在我国温带荒漠生态系统中,虽已开展降雨和氮沉降改变对荒漠生态系统影响的相关研究,但是同时关注降雨、温度和氮沉降变化对我国荒漠生态系统生物量和物种多样性、氮素去向和植物化学计量影响的研究还未见报道,而这对更加准确地预测未来我国温带荒漠生态系统如何响应全球气候和环境变化具有重要意义。为此,在中国科学院阜康荒漠生态系统野外观测站古尔班通古特荒漠南缘建立了一个水(W)、氮(N)、温(T)的多因子试验,共设置不同水分、氮素和温度组合(W0N0、W0N1、W0N2、W1N0、W1N1、W1N2、W0N0T0、W0N0T1、W1N1T0和W1N1T1),同时结合荒漠系统东西样带调研、室内模拟试验等手段,在2015-2017年间,系统开展了温带荒漠生态系统草本植物生物量、草本植物群落多样、植物-土壤系统氮素去向、植物化学计量学(C、N、P)特征的综合研究,取得了以下主要结果:1.温带荒漠生态系统草本植物群落层片高度、地上部生物量、地下部生物量、物种数、密度和盖度均存在着显著的年际间变异。增水(60 mm yr-1)能够显著增加草本植物群落地上部生物量、物种数、密度和盖度,而外源氮添加和增温对草本植物层片高度、草本植物群落地上部生物量、地下部生物量、物种数、密度和盖度无显著影响。2.采用15N示踪技术,定量研究了2015-2016年间外源添加N(模拟氮沉降升高,30和60kgNha-1 yr-1)在以梭梭为主的温带荒漠生态系统中氮素去向以及其对水氮添加的响应。发现草本植物的15N回收量显著高于梭梭,草本植物15N回收量在4.11到9.05kgNha-1之间变化,梭梭的15N回收量从2.60增加到6.13kgNha-1。梭梭不同部位15N回收量不同,其中茎回收量最大,其次是根系和同化枝。土壤是外源15N最大的回收库,年际间表层土壤(0-5 cm)和下层土壤(5-30 cm)15N回收量对水氮添加的响应不同。整个荒漠植物-土壤系统氮素总回收率在43-61%之间,其随着降水的增加而提高,但随着氮沉降的升高而回收率下降。3.在室内盆栽试验中,对比了不同生活型荒漠植物卷果涩荠(短命植物)和紫翅猪毛菜(一年生植物)在无水分胁迫下(控制土壤孔隙含水量70%)生物量和15N吸收利用对不同外源15N氮添加量(双标记15NH415N03,0、15、30、60和120kgNha-1yr-1)的响应。植物生长和植物15N回收量对外源氮添加的响应存在着种间特异性,同时依赖于外源氮添加量的多少。短命植物最大地上部、地下部生物量以及相应的氮添加临界值均显著低于一年生植物。短命植物15N回收量比一年生植物对外源15N添加更加敏感,对应短命植物最大地上部(6.43 kgN ha-1)和地下部15N回收量(0.89kgNha-1)的氮添加临界值42.1和37.3kgNha-1,显著低于对应一年生植物最大地上部(21.56kgNha-1)和地下部15N回收量(2.03kgNha-1)的氮添加临界值分别为114.9和60.7 kgN ha-1。短命植物-土壤系统氮素回收率平均为70%,显著高于一年生植物氮素回收率(50%)。4.除N含量外,不同生活型荒漠植物叶片化学计量学特征均存在显著的物种间差异。短命植物叶片的C、P含量和C:N显著大于一年生草本植物和小乔木,相反地短命植物C:P和N:P显著小于一年生草本植物和小乔木。氮添加能显著增加了荒漠植物叶片N含量和N:P,却显著降低了荒漠植物叶片C:N,水添加和增温均不能显著改变荒漠植物叶片化学计量学特征。物种和增温处理间存在着显著的交互作用,其中增温可以显著增加一年生植物和小乔木叶片N含量。5.荒漠植物C、N和P含量,C:N、C:P和N:P的均值分别为337、19.2和1.64 mg g-1,19.8、229和13.2。荒漠植物叶片元素含量和化学计量比的大小与地理位置、气象因子、土壤理化性质和植物分类因子均相关,其中植物分类能够解释54-66%的植物化学计量学特征的变异。十字花科和藜科植物叶片C、P含量和化学计量比存在着显著的差异,其中植物分类因子主要解释藜科植物叶片C、N、P化学计量变异,而与土壤相关的因子则主要解释十字花科植物叶片C、N、P化学计量变异。综上,本研究回答了降雨、温度和氮沉降增加对我国新疆温带荒漠生态系统结构和功能的影响,其中降雨增加能够显著增加荒漠生态系统草本植物地上部生物量、物种数、密度和盖度;降雨和氮沉降同时增加能够显著增加荒漠生态系统氮素利用率;氮添加显著降低了短命植物和一年生植物氮素利用率,且短命植物氮素回收率显著高于一年生植物;氮沉降增加能够显著增加荒漠植物叶片N含量和N:P,降低荒漠植物叶片C:N;古尔班通古特荒漠植物叶片C、N、P化学计量学特征主要受植物分类因子和土壤因子的影响。