氮添加下高寒草地植物性状变异对群落构建和生态系统功能的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 喻佳洛 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 石培礼 |
| 关键词 | 高寒草地 氮添加 功能性状变异 群落构建 生态系统多功能 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 日益增强的大气氮沉降对陆地生态系统结构和功能具有重要影响，尤其是草地生态系统。植物功能性状作为联系植物适应策略和生态系统功能的重要纽带，可以调节植物资源获取和利用效率，进而对生态系统功能及其稳定性的维持产生重要影响。因此，运用基于植物功能性状的方法，能帮助我们更好地了解植物群落物种共存和多样性维持的群落构建机制，对维持生态系统的功能和保护草地生态环境具有极为重要的意义。然而，目前有关氮沉降背景下植物群落功能性状变异对群落构建和生态系统功能的调控作用仍知之甚少。 本研究以藏北高原自然降水梯度带上的四种高寒草地（高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原和高寒荒漠草原）作为研究对象，依托每种类型草地上设置的养分添加实验平台，选择三个氮添加水平：空白对照（CK）、低氮（5 g N m-2 yr -1）和高氮（20 g N m-2 yr -1）开展研究。研究主要包含以下四个方面：首先通过量化植物功能性状的上限、下限、性状范围和性状空间来反映环境过滤和生态位分化在群落构建过程中的作用变化；其次阐明自然降水梯度带上和氮添加下不同类型草地生态策略（CSR策略：C为竞争型策略、S为耐胁迫型策略、R为杂草型策略）变异规律及其驱动机制；再次，在考虑性状种内和种间变异下，揭示植物群落功能组成（群落加权均值，CWM；功能多样性，FDis）对群落生产力的影响；最后，结合植物多样性和微生物多样性，揭示氮添加对不同类型草地生态系统多功能性的影响。主要研究结果如下： （1）氮添加改变了环境过滤和生态位分化过程，使具有更高植株高度、叶氮含量、根氮含量和较低叶面积的物种占据群落主导地位。具体地，氮添加增加了高寒草甸和荒漠草原中植株高度的上限值，性状范围向上扩展；而降低了叶面积上限值，其性状范围向下收缩；高寒草甸和高寒草原中叶氮含量上限和下限值增加，性状范围总体向上偏移或收缩。氮添加下根氮含量性状范围向上收缩，而根碳氮比向下收缩。此外，氮添加下植株高度的性状空间显著增加，尤其在高寒草甸中，表明物种间植株高度的生态位分化程度降低，功能性状逐渐趋同；而叶面积和叶氮含量的性状空间减小，表明物种间该性状分布更均匀，生态位分化程度增加。 （2）水分和养分有效性可以通过调节功能性状对高寒草地植物群落生态策略产生重要影响。在群落水平上所有高寒草地均以S型策略为主导，但相比于高寒草甸草原（C:S:R = 3:94:3%）、高寒草原（C:S:R = 3:87:10%）和高寒荒漠草原（C:S:R = 1:94:5%），高寒草甸具有更低的S策略值和更高的C和R策略值（C:S:R = 6:63:31%）。在功能群水平上，相较于禾草类和莎草类植物，杂类草和豆科植物的CSR策略值在不同草地类型中更加灵活的生态策略。此外，氮添加降低了高寒草甸植物群落水平的C策略值，以及豆科植物的C策略值，这与氮添加后植物群落组成改变，禾草类在群落占据主导地位有关。进一步地，降水梯度上的水分变化通过调控土壤氮磷有效性和pH值，最终影响植物性状与CSR策略。 （3）综合考虑性状种内和种间变异能更好的解释群落生产力变化。高氮添加降低了高寒草甸和草甸草原的地上生物量，而增加了除高寒草原以外其它三种草地的地下生物量。氮添加增加了株高和叶氮含量，而降低了叶碳氮比的CWM值；降低了株高、叶氮含量和叶碳氮比的FDis。同时，氮添加降低了根组织密度和根碳氮比，而增加了根氮含量的CWM，降低了根平均直径、比根长和根氮含量的FDis。整体上，关于性状CWM，植物群落性状种内变异相对贡献大于种间变异，表明群落中优势物种的种内变异有助于增强群落抵抗力；而关于性状FDis，种间变异相对贡献大于种内变异，反映了群落功能多样性对环境变化的抵抗力下降。氮添加下不同草地类型种内变异的相对贡献随着降水的增加呈增加趋势，反映了群落对环境变化的抵抗力随降水增加而增强。结构方程模型结果表明了植物功能性状CWM对地上生物量有显著的正效应，而土壤养分和水分有效性是地下生物量积累的主要限制因子。 （4）高氮添加降低了植物物种多样性和土壤微生物多样性，并通过改变植物功能性状指标和群落结构对生态系统多功能（EMF）产生不利影响。相比较干旱的高寒荒漠草原，氮添加对较湿润高寒草甸的EMF的负面作用更显著。在自然降水梯度上，EMF随着降水的增加而增加，而高氮添加使EMF在降水梯度上的空间差异降低。自然降水梯度带上的土壤水分-养分条件主导着EMF的变化，而植物功能性状的CWM和土壤微生物多样性对维持EMF具有重要作用。氮添加对EMF没有明显的直接作用，但是可以通过影响物种多样性和微生物多样性间接影响EMF。研究证实了“多样性-生态系统功能”的正相关关系，同时强调优势物种性状对群落资源利用和功能维持方面的重要作用。 综上所述，本研究分析了氮添加对藏北高原不同草地植物群落环境过滤与生态位分化作用下的群落动态变化；明确了自然降水梯度带上植物群落和功能群的生态策略的空间变化规律和驱动机制，以及生态策略对氮添加的响应规律；揭示了氮添加下不同功能性状种内种间变异的相对作用，以及植物群落功能组成对群落生产力的调控机制；进一步探讨了地上与地下生物多样性通过协同作用共同介导氮添加对生态系统功能的影响。研究结果不仅为解析青藏高原草地生态系统时空演变规律及对气候变化响应机制提供科学依据，同时为高寒草地生态适应性管理策略的制定与优化提供了理论支撑。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 141 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217253]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 喻佳洛. 氮添加下高寒草地植物性状变异对群落构建和生态系统功能的影响[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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