论文部分内容阅读
全球气候变化和人类活动正使陆地生态系统经受着越来越严峻的土壤pH变化的影响,土壤酸化和盐碱化已被认为是影响草地生态系统系统中的重要问题。然而现有研究对土壤pH变化如何影响草地群落结构和功能以及这些影响在不同类型草地的差异仍缺乏足够的了解。因此,本研究在内蒙古草地上自西向东,选取了荒漠草地、典型草地和草甸草地三种不同类型的草地为研究对象,基于模拟土壤酸和碱添加的控制实验,评估了土壤pH变化对三种类型草地氮磷化学循环、生物量分配以及生产力稳定性特征的影响,并且分析讨论了这种影响在不同草地间土壤和气候特征变化下产生差异的原因。本研究旨在为全球变化背景下草地生态系统的科学管理提供理论依据,取得的主要结果如下:(1)两年(2017-2018)的实验结果表明,土壤pH值变化对土壤氮、磷以及氮磷化学计量比无显著影响。土壤碱化增加了三种草地植物23.1%-28.3%的氮浓度,而土壤酸化仅提高了草甸草地植物19.2%的氮浓度。而土壤酸化降低了荒漠草地植物6.7%和典型草地32.8%的植物磷浓度,但增加了草甸草地植物23.4%的磷浓度。土壤碱化仅减少了荒漠草地植物14.1%的磷浓度。土壤酸化下土壤氮的响应比和与年均降水呈二次方相关。而土壤碱化下,土壤氮和磷的响应比均与年均降水二次方相关,但土壤氮磷化学计量比的响应比与降水无关。当土壤pH值变化下(酸化和碱化),植物氮浓度的响应比与年均降水呈二次方相关。土壤酸化下,年均降水与植物磷浓度的响应比呈正相关,与植物氮磷化学计量比的响应比呈负相关。土壤碱化下仅植物氮磷化学计量比的响应比与年均降水负相关。标准化主轴分析表明,土壤酸化和碱化后植物群落的磷相对于氮积累的更快,表明土壤pH变化增加了植物群落受到磷限制的风险。多元回归和结构方程模型的结果显示,土壤和植物磷在改变土壤pH值的情况下主要推动了群落氮磷化学计量比的空间变化。这些结果表明,在内蒙古半干旱温带草地土壤pH值变化的情况下,荒漠草地的植物氮磷化学循环对土壤pH值变化响应高于草甸草地,预计降水会调节植物氮磷化学计量的响应。(2)2018年实验结果表明,土壤酸化降低了典型草地群落58.3%和草甸草地17.1%的地上生物量,而土壤碱化降低了荒漠草地54.3%和典型草地83.4%的地上生物量。土壤pH值变化对荒漠或典型草地的地下生物量无显著影响,但酸化和碱化降低了草甸草地的地下生物量26.4%-42.5%。从整体上看,土壤酸化或碱化引起的土壤pH值变化对植物的物种丰富度、香农-维纳多样性和优势物种生物量都产生负面影响。土壤酸化和碱化增加了的地下与地上生物量比约60.1%-316.5%。土壤碳氮化学计量比不受土壤pH值变化的影响。地上生物量、地下生物量与地上生物量的比值和优势物种生物量的响应比与土壤pH变化下的降水呈正相关,而地下生物量的响应比与土壤碱化下的降水呈负相关。土壤肥力(土壤C:N比)在土壤酸化和碱化下不受影响,其在土壤pH变化下的响应比与降水无显著相关。结构方程模型分析表明,植被生物量生产和分配对土壤pH值变化的响应主要受群落组成驱动,而非土壤肥力。本研究表明,降水主要通过改变群落组成的响应来调节半干旱草地生物量地下地上分配模式对土壤pH值变化的响应。(3)经过三年控制实验后(2017-2019),研究结果发现土壤酸化降低了荒漠草地的群落稳定性32.6%。土壤碱化降低了荒漠草地和典型草地的群落稳定性39.3%-59.6%,土壤pH值的变化不影响草甸草地的群落稳定性。结构方程模型结果显示,荒漠草地土壤酸化导致群落稳定性降低可归因于优势物种稳定性降低,而土壤碱化导致群落稳定性下降可归因于物种异步性和优势物种稳定性的降低。本研究的结果表明,土壤pH变化下荒漠草地的群落稳定性主要由优势物种稳定性驱动,而不是多样性。土壤养分受土壤酸化和碱化的影响,且因草地类型而异。其中土壤酸化提高了速效养分浓度PC1(主成分分析第一主轴),土壤碱化降低了土壤总养分及其化学计量比PC1,两者均与荒漠草地土壤pH呈负相关。土壤养分的这种变化与物种异步性有关,然后间接影响群落稳定性,表明土壤养分在推动群落稳定性中的重要性。综上所述,本研究采用模拟土壤酸化和碱化控制实验在区域尺度上阐明了土壤pH变化对草地生态系统氮磷化学循环、生产力分配和稳定性的影响。这些结果表明:1、低降水引起的植物N:P化学计量比增加和土壤pH值变化下植物P相对于N的加速积累可能增加了干燥草地而非湿润草地受到潜在磷元素限制的风险。2、降水主要通过改变群落组成的响应来调节半干旱草地生物量地下地上分配模式对土壤pH值变化的响应,相比于湿润草地,干燥草地植物群落通过增加地下生物量的相对分配比例以应对土壤pH的变化。3、干燥草地的生物量稳定性对土壤酸化和碱化的响应比潮湿草地更明显。其中干燥的荒漠草地土壤酸化主要通过降低优势种稳定性,而碱化主要通过降低物种异步性和优势种稳定性削弱了群落稳定性。因此,在半干旱草地空间梯度的土壤pH值改变下,相对干燥的草地相对于降水量更大,物种更丰富度湿润草地可能面临更大的生态破坏风险和挑战。所以,改善降水/水分可用性可能会较好地增加干燥草地应对未来土壤pH变化所造成生态环境影响的能力,这些发现可以改善气候变化下草地生态系统功能和生态服务持续性的管理措施。