黄土高原典型草原不同功能群植物叶片碳氮磷化学计量及养分重吸收特征

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植物生态化学计量学是研究植物器官中元素含量的计量特征及其与环境因子和生态系统功能的关系的重要工具,植物在叶片凋落前的养分重吸收效率能够反映植物对养分的利用、保存以及植物对养分贫瘠环境的适应能力。黄土高原退化草地的自然恢复已见成效,并形成了规律性的演替群落,在恢复后期,典型草原以禾草类植物为优势功能群。为了明确黄土高原典型草原自然恢复草地植物对碳氮磷的吸收、利用和归还机制以及养分重吸收效率特征及调控机制,本文探讨了自然恢复草地中不同功能群植物叶片功能性状、化学计量特征、叶片养分重吸收之间的差异,以及对环境因子的响应。本实验以黄土高原典型草原的4种主要禾草类植物(甘青针茅、大针茅、冰草和赖草)以及6种杂类草代表植物(白莲蒿、甘菊、火绒草、阿尔泰狗娃花、百里香和二裂委陵菜)为研究对象,通过对植物叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)含量、叶片功能性状(叶片厚度、比叶面积和叶干物质含量)、碳氮磷化学计量比以及氮磷养分重吸收效率的系统研究,揭示典型草原上禾草类植物维持优势度的机制,以及杂类草的生存策略。主要研究结果如下:(1)黄土高原典型草原上优势功能群—禾草类植物的叶片养分含量比杂类草低,根据最小资源理论,禾草类植物通过降低自身对限制性养分(氮和磷)的需求,以适应黄土高原干旱、贫瘠的生境,并在自然演替中持续保持优势;而杂类草的生存则选择了从土壤中吸收更多的养分,以满足自身的生长发育。禾草类植物形成比叶面积较小、叶片厚度较大、叶干物质含量较高的叶片性状,这是一种对黄土高原生境的自我保护机制;杂类草植物通过增加比叶面积,提高光合作用速率,以此改善其大多数物种植株较矮的困境。根据叶功能经济谱,杂类草是养分含量高、光合速率高、呼吸速率快、寿命短的快速投资-收益型的功能群,禾草类是养分含量低、光合速率低、寿命长的缓慢投资-收益型的功能群。(2)黄土高原典型草原中的禾草类植物C:N和C:P较高,由此分析可得,禾草类植物的生长速率较低,且碳同化效率较高、也就是养分利用效率较高,这也是禾草类植物虽然对养分需求较少,但并不影响其生长发育繁殖过程和效率的原因;而杂类草从土壤中汲取更多的养分,凭借较高的生长速率来维持自身的生存。两种功能群植物在氮、磷养分重吸收特征上表现相似,一方面是由于研究地区是氮磷共同限制,植物对于氮、磷的需求同样迫切;另一方面反映了在养分限制的环境中,不同功能群的重吸收特征主要受环境影响。(3)在养分重吸收的调控机制研究中,不同功能群的养分重吸收有着不同的调控机制。禾草类植物叶片养分重吸收效率主要与生长季均温相关,温度的变化可能通过影响养分运输相关酶的活性,从而影响植物养分重吸收效率。而杂类草植物叶片养分重吸收效率主要与成熟叶片氮磷比相关,成熟叶片氮磷比显示着土壤的养分限制,因此杂类草植物体通过自身叶片的氮磷比实现对环境的判断,从而决定养分重吸收效率的高低。土壤有效养分和生长季极端降水的共同效应,解释了禾草类植物叶片养分重吸收在年际间的变化。杂类草植物的内稳性较强,对环境因子的响应并不显著,导致养分重吸收效率在年际间并没有显著差异。本研究揭示了不同功能群植物在养分吸收、利用和归还方面对黄土高原生境的不同适应策略,为评价该地区植被-土壤养分循环的生态效应以及黄土高原典型草原的生态恢复与管理提供科学理论依据。
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