近年来,化石燃料的燃烧、土地利用和化肥的过度利用等人类活动导致大气中氮沉降(nitrogen deposition)急剧增加。大气氮沉降的输入极大地提高草地生态系统(grassland ecosystem)中植物生产力以及地上枯落物(aboveground litter)的积累量。同时,氮(N)输入也导致枯落物中的养分含量发生变化,并通过影响枯落物分解过程(litter decomposition)间接地改变草地生态系统的营养动态过程。因此,开展大气N沉降与植物地上枯落物输入交互作用对草地植物群落生产力和多样性,以及植物和土壤营养含量影响的研究十分重要。这些研究不仅有助于我们理解草地生态系统特征、过程及功能对全球变化的响应机制,还可以为草地管理和生物多样性保护提供重要的科学依据。本研究以位于欧亚大陆东缘的松嫩草地为研究对象,以野外长期实验平台为支撑,开展大气氮沉降背景下地上枯落物输入对植物群落多样性和生产力,植物和土壤养分含量状况影响的研究。本研究旨在揭示草地植物群落特征以及植物和土壤营养特征对大气氮沉降的响应,探讨氮沉降背景下植物地上枯落物积累对植物多样性、生产力以及植物和土壤营养特征的的作用效应。通过连续3年(2010-2012年)的实验处理,本实验获得以下主要研究结论:(1)施氮显著降低植物物种丰富度、香农威纳指数、辛普森指数和均匀度指数,但显著增加植物总生物量、总盖度和总密度。此外,施氮提高优势种植物-羊草(Leymus chinensis)的生物量、盖度、密度和高度,对其他禾草和杂类草的生物量、盖度、密度和高度的影响微弱。在2012年,香农威纳指数随着羊草盖度的上升而显著下降。该研究结果表明,施氮后羊草盖度上升,是导致植物多样性下降的重要原因。地上枯落物的积累能够显著降低植物总密度,对植物总生物量以及各植物类群生物量则无统一作用规律。更为重要的是,在2011年和2012年,无论在施氮还是不施氮处理中,香农威纳指数、辛普森指数和均匀度指数均随着植物地上枯落物输入量的增加而呈明显的上升趋势。因此,尽管施氮对生物量的正作用以及对植物多样性的负作用已被广泛证实,但本研究结果预示:氮沉降背景下植物地上枯落物的积累,可以潜在地缓解氮沉降对草地植物多样性的不利影响。(2)施氮对羊草叶片中的总碳(C)含量无显著作用。然而,施氮显著提高羊草叶片和茎秆中的总N含量,但降低其总磷(P)含量。施氮处理后羊草组织中各养分含量的上述变化,导致羊草叶片中C:N的显著下降,而C:P则显著上升。氮素输入还导致羊草叶片和茎秆N:P的显著上升。同时,植物地上枯落物的输入没有影响羊草组织的总c含量,但其显著提高羊草叶片和茎秆中的总n和总p含量。在施氮处理中,地上枯落物的输入降低羊草叶片n:p。氮素输入对植物组织c:n和c:p的作用,决定着植物地上地下生物量的分配模式以及植物枯落物的数量和质量,并最终影响生态系统的能量流动和营养循环过程。植物地上枯落物作为一种天然肥料,其所含养分对土壤营养库的输入,可以潜在地调节土壤中养分元素的含量。因此,理解氮沉降背景下地上枯落物输入对植物组织养分的影响,对草地植物生态系统功能和服务的维持具有重要意义。(3)本研究同时检验氮肥添加与植物地上枯落物输入互作对草地植物营养重吸收过程的影响。研究发现,尽管施氮对羊草营养器官重吸收效率作用不显著,但施氮显著降低羊草叶片n重吸收度(即提高羊草枯萎叶片n含量)54%以及茎秆n重吸收度(即提高羊草枯萎茎秆n含量)65%。与此相反,施氮分别提高羊草叶片p重吸收度(即降低羊草枯萎叶片p含量)13%以及茎秆p重吸收度(即降低羊草枯萎茎秆p含量)20%。无论在施氮还是不施氮处理中,植物地上枯落物的输入均降低羊草叶片和茎秆中n和p的重吸收度(即羊草枯萎叶片和茎秆中n和p的含量均提高)。更为有趣的是,本研究发现,羊草营养器官p重吸收度对枯落物输入的响应似乎要比n重吸收度更为敏感。无论是在施氮还是不施氮条件下,羊草叶片和茎p重吸收度均随着枯落物输入量的增加而显著降低。但是,枯落物添加仅仅显著降低不施氮条件下羊草叶片中n的重吸收度。本研究证实氮沉降对植物器官中n和p元素重吸收过程的影响存在差异。植物地上枯落物在向土壤库中输入氮素的同时,还向土壤提供大量的磷素以及其他营养元素。在氮沉降背景下,草地生态系统中枯落物的积累可以有效地缓解氮输入所导致的土壤磷限制状况,为草地植物的健康生长提供保障。(4)施氮没有影响土壤总c含量,但显著增加土壤总n含量,并降低土壤总p含量。土壤中养分含量的上述变化,导致土壤中c:p和n:p的提高。植物地上枯落物对土壤c含量以及n和p含量没有显著影响,这可能与本研究的实验周期较短有关。由于我国工业产业正处于高速发展阶段,预测在未来几十年,松嫩地区的大气氮沉降将进一步加剧。因此本研究建议:草地管理者应对松嫩草地土壤磷素进行适当的补充,让土壤的氮磷元素含量维持在合理水平,从而有效地缓解大气氮沉降对该生态系统土壤营养的不良影响。此外,保留一定数量的植物地上枯落物,也将有效地缓解氮沉降条件下土壤的磷限制程度。基于以上实验结果,本研究获得对大气氮沉降和地上植物枯落物交互作用对植物群落特征以及植物和土壤营养库影响的深入理解和进一步认识。大气氮沉降趋于降低植物多样性,而枯落物的积累则可以有效缓解氮沉降对植物多样性的不利影响。氮沉降虽然有利于土壤n库的增加,却降低土壤p库,导致植物生长受到p素限制的风险上升。植物地上枯落物作为一种天然的肥料,其所含物质对土壤的输入,可以提高土壤中各养分元素的含量,并有效调节元素间的比率关系。综上所述,在大气氮沉降背景下,对草地地上枯落物进行一定程度的留存具有十分重要的意义。地上枯落物积累对松嫩草地优势物种羊草生长的抑制作用,可以潜在调节氮沉降对草地植物群落组成以及生产力的影响。而地上枯落物对土壤各种养分的输入,则很好地缓解了氮沉降导致的土壤养分失衡状况。据我们所知,本研究是首个同时检验施氮与植物地上枯落物输入对植物营养重吸收过程影响的实验性研究。该研究对于补充及完善松嫩草甸草原植物营养重吸收理论体系具有重要意义。本研究从草地植物群落多样性和组成,以及植物和土壤营养动态这一视角,进一步证实了全球变化背景下植物地上枯落物在维持草地生态系统功能和服务中的重要作用。该结论对草地管理者的决策具有重要的参考意义,即健康稳定的草地生态系统需要一定数量的植物地上枯落物的积累,长期过度的放牧和割草将会导致草地土壤营养消耗殆尽,不利于植物群落生产力的维持。