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凋落物在生态系统养分循环中发挥着重要作用,而凋落物的质量是驱动凋落物分解的重要因素之一。逐渐增加的大气氮沉降会通过直接作用和间接作用改变群落水平凋落物的质量。与其直接作用相比,氮沉降通过改变群落物种组成对群落水平凋落物质量产生影响的这一间接作用尚未被定量研究。不仅如此,群落水平凋落物分解对氮沉降的响应也还不清楚。本研究以中国北方温带半干旱草原为对象,通过设置不同的氮素添加水平,分别分析了多年氮素添加对物种和群落水平绿色植物养分状况、枯萎植物养分状况和养分回收、初始凋落物质量和凋落物分解的影响。同时,本研究量化了种内变异和物种周转对氮素添加下群落水平绿色植物养分状况、枯萎植物养分状况和养分回收变化的相对贡献。 研究结果表明: 无论是采用生物量加权还是非加权的方法,群落水平绿色植物N含量、P含量以及N∶P均随着氮素添加速率增加而增加。当考虑群落组成变化时,群落水平N、P含量及N∶P对氮添加速率的变化更加敏感。这表明群落组成的改变在驱动群落水平养分状况对氮沉降的响应方面具有重要作用。另外,氮素添加有利于N∶P高的物种生长,进一步造成群落水平N∶P的升高,这将会增加群落初级生产力受到P素条件限制的风险。这些结果说明,群落组成的变化能够调控N沉降对草原生态系统养分限制状况的影响。 植物器官枯萎过程中会发生养分回收,影响到凋落物的养分性状。氮沉降降低了植物枯萎过程中物种水平和群落水平N和P素的回收。当考虑物种组成变化时,群落N和P素的回收对氮添加速率的响应更加敏感。尽管氮沉降下物种组成变化对群落养分回收变异的贡献小于种内变异的贡献,但是种内和种间变异的协同作用在很大程度上降低了群落水平的养分回收。由于不同物种的养分回收存在着差异且物种丰富度随氮添加速率增加也会发生改变,因此认为不能简单地用物种水平养分回收的算术平均值代表群落水平的养分回收。随着N沉降速率增加,种内变异和物种周转的正向协同作用强调了群落组成改变对植物养分回收的削弱效应。 尽管不同枯萎叶片的N、P含量及N∶P有显著差异,但是物种和群落水平的N、P含量及N∶P均随氮添加速率的增加而增加。生物量加权的枯萎叶片的群落水平养分特征对氮添加速率的敏感性要高于非加权的群落养分特征,表明群落组成变化增强了N素添加对群落养分特征的正向影响。尽管群落组成变化对群落养分变异的贡献仅为10%~26%,但是种内变异和群落组成变化对群落枯萎叶片N、P含量及N∶P存在正向协同作用,表明群落组成变化和种内变异对群落性状的选择具有一致性。该研究结果强调群落组成改变在驱动群落养分对氮素添加响应的重要性。 氮沉降改变植物群落组成并有利于养分获得能力强的植物种类生长,这类植物具有高的凋落物质量并对氮沉降响应具有更高的敏感性。氮沉降下群落组成变化、种内变异及二者协同作用均对增加凋落物质量(高N含量,低木质素、纤维素和半纤维素含量)存在正效应。群落组成变化对凋落物化学组成变异的贡献随着氮添加速率增加而增加,其中对凋落物N含量变异的贡献为5%~40%,对凋落物木质素、纤维素及半纤维素含量变异的贡献为2%~30%。这些结果表明氮沉降改变种内碳(C)和N组分及群落组成,进而将潜在地促进凋落物分解和生态系统的养分循环。 尽管不同物种的初始N和P素含量存在着差异,但物种和群落水平凋落物分解(初期)对氮沉降响应具有一致性。氮沉降通过增加凋落物N和P含量提高凋落物质量,进而促进凋落物的初期分解。初始N和P含量高的凋落物分解速率高于初始N和P含量低的凋落物。该生态系统中凋落物分解过程中N和P动态的模式为先富集后释放。氮沉降降低物种和群落水平凋落物在分解初期对N和P素的固定作用,因此氮沉降可能加速植物一土壤系统的养分循环。 综上所述,本研究的相关结果表明物种组成的改变驱动着半干旱草原植物介导的生物地球化学循环对氮沉降的响应。氮沉降下群落水平养分回收的降低将对生态系统的养分循环产生重要影响。种内变异、物种周转及二者协同作用共同驱动着受植物途径调控的生态系统养分循环对氮沉降的响应。氮沉降下凋落物分解的加快将促进生态系统的养分循环。本研究将对明确氮沉降背景下温带半干旱草原生态系统的养分循环过程及预测未来草地生态系统的动态提供理论基础。