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草本植物养分重吸收效率对氮磷添加的响应及化学计量内稳性特征

彭慧元  
【摘要】:养分是限制陆地生产力的主要环境因素。全球来看,氮和磷是植物生长的主要养分限制因子。养分重吸收是植物养分保持的一个关键策略。化学计量内稳态是指植物不受养分有效性变化的影响,通过各种生理机制保持其元素组成相对稳定的能力。一直以来,养分有效性和养分重吸收的关系的研究都存在不一致的结论,同时对于化学计量内稳性的研究较少。野外施肥控制实验和温室控制实验可以为研究养分重吸收效率和养分有效性的关系以及化学计量内稳性提供最为直接的证据。草地生态系统是陆地植被中最重要、分布最广的生态系统类型之一。对草地群落及主要物种养分重吸收对氮磷添加的响应及化学计量内稳性特征的研究,有助于预测和理解草地氮磷养分循环及保存利用策略;对单一草本植物的研究有助于揭示在草本植物的生命周期内其养分保持策略是如何响应环境养分变化的机理,也有助于农林施肥管理和自然植被的恢复和保护。选取内蒙古坝上典型草原草地群落和中国广泛分布的苋菜(Amaranthus mangostanus)为研究对象,分别进行了不同氮磷添加梯度的野外施肥实验和温室控制实验,研究了草本植物群落、优势物种及个体养分重吸收、化学计量内稳性的变化,主要研究结果如下:1.研究区域草地群落及其主要物种,地上部旺盛期氮浓度(Nggr)与氮添加(Nsupp)正相关、地上部衰老期氮浓度(Nsen)与Nsupp无关;地上部旺盛期与衰老期磷浓度(Pgr Psen)都与磷添加(Psupp)正相关,Nsupp对样地草本植物生长的影响大于Psupp。氮养分重吸收效率(NRE)与Nsen,磷养分重吸收效率(PRE)与Psen,相对养分重吸收(RR)与衰老期地上部氮磷比(N:Psen)均为负相关关系。根据相对重吸收假说(RR=NRE-PRE≈0,植物生长受到氮磷共同限制),群落植物生长受氮磷共同限制对应的N:Psen的临界值为3.9~6.2,群落中主要物种受氮磷共同限制对应的N:Psen临界值分别为:黄囊苔草为(Carex korshinskyi)4.7~7.0,糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)为 5.6~7.4,硬质早熟禾为(Poa sphondylodes)7.4~9.6,沙蒿(Artemisia desertorum)为 5.5~7.9,不同植物临界值不同。对苋菜养分重吸收效率的研究表明:NRE和PRE都随N、P的相对可用性的升高而降低,NRE花期高于种子灌浆期,而PRE花期低于种子灌浆期。不同的生长阶段养分重吸收对环境养分可用性的响应不同。苋菜RR与绿叶氮磷比(N:Pgr)呈显著负相关关系。植物生长的最佳N:Pgr随着植物生长阶段而改变,这表明植物生长限制可能从营养生长的N限制向生殖生长的P限制转变。2.群落氮磷添加对养分重吸收效率的研究表明:Nsupp促进了群落及其主要物种的养分重吸收效率,Psupp对群落及其主要物种的养分重吸收效率没有显著影响,Nsupp显著升高了群落生物量,进而地上部养分库升高,提高了养分重吸收效率。对苋菜连续两年氮磷添加对养分重吸收效率(NuRE)的研究表明:NuRE随着植物个体的增大而增加,但随着根冠比的增加而降低,植物的养分保存策略会受到养分库大小和从土壤吸收养分还是从植物衰老器官重吸收养分的平衡的调节。养分供应不仅可以通过直接提高土壤养分的有效性来降低养分的重吸收效率,还可以通过间接增加植物个体的大小和降低根冠比来提高植物的养分重吸收效率。3.植物的化学计量内稳性受元素、物种和生长发育阶段的影响。无论群落、物种还是科属,氮的内稳性都高于磷。不同生长阶段植物的养分需求不同,养分的内稳性存在差异,氮的内稳性苗期高于旺盛期、磷的内稳性苗期低于旺盛期,不同生长阶段,氮磷比(N:P)的内稳性随植物的生长逐渐升高。不同科属地上部N、P养分的浓度和内稳性不同,禾本科地上部N、P浓度均为最低,菊科和蔷薇科地上部氮浓度最高、莎草科磷浓度最高,禾本科N的内稳性最低而P的内稳性最高,不同科植物养分内稳性存在差异。苋菜不同的生长阶段,叶片N的内稳性(和浓度)没有显著的变化,但是叶片P的内稳性(和浓度)在生殖阶段显著高于营养阶段。苗期N的内稳性高于P,但旺盛期(开花阶段)则相反,P比N具有更强的内稳性。N和P的动态变化表明:在植物生长过程中,由于N和P的生理功能的不同,植物养分内稳性存在差异。本研究结果表明植物养分库越大,养分重吸收效率越高,养分供应不仅可以通过直接提高土壤养分的有效性来降低养分的重吸收效率,还可以通过间接的增加植物生物量、个体的大小和降低根冠比来提高植物的养分重吸收效率。RR与植物N:Psen为负相关关系,根据相对重吸收与N:P的关系可以得到氮磷养分限制的临界值。植物的内稳性因物种、生长发育阶段和元素的不同而不同。不同植物分类水平氮的内稳性都高于磷的内稳性;植物生长的不同阶段,N和P的生理功能的不同,表现为不同生长阶段内稳性的变化;不同物种养分内稳性不同。


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