中国草原生态化学计量学研究进展

中国草原生态系统是世界草原生态系统的极重要组成部分之一,生态化学计量学研究有助于从研究生命物质不同结果层次中的元素循环、平衡等角度阐明中国草原生态系统运行机制,是中国草原生态系统研究的重要内容。为增进对中国草原生态化学计量学的理解,本文综述了近几年来中国草原生态化学计量的最新研究进展,指出中国草原生态化学计量的研究主要集中在内蒙古高原和青藏高原,并按植物生长季节(物候节律)、年际演替、空间变异和对全球变化响应等角度,试图揭示中国草原植物C,N和P化学元素其可能存在的内在机理、传递与调节机制及驱动因子,提出中国草原生态化学计量学研究中存在的问题以及今后拟加强研究的重点。     

植物碳氮磷生态化学计量对非生物因子的响应

在不同的环境条件下,植物会进行不同的生理生化反应,通过植物调节碳（C）、氮（N）、磷（P）的代谢和循环,使其具有不同的含量和分布,最终表现出特定的元素生态化学计量学特征。因此,植物主要元素的生态化学计量学特征从另一个方面体现了其对环境变化的响应和适应性。本研究对影响植物生长的主要非生物因子（包括土壤营养、CO2、水分、光照和温度）变化下植物的C、N、P生态化学计量学特征及其可能的机制进行了综合分析,并讨论了其空间和时间变异性。     

三江源区高寒草地根系-土壤C、N、P生态化学计量特征

植物生态化学计量学及内稳性特征对于研究C、N、P元素与植物生长之间的关系、限制性养分的判断、生态系统的稳定性等方面有重要意义,但对高寒草地生态系统的相关研究报道较少,鉴于此,以三江源区4类高寒草地为研究对象,测定并分析了根系与土壤C、N、P生态化学计量关系特征以及根系生态化学内稳性特征。结果表明,不同类型高寒草地0～20 cm植物根系C含量平均为27.42%～44.8%;0～20cm根系全N含量平均为1%～1.68%;0～20cm根系全P含量平均为0.07%～0.16%。高寒草原植物根系各指标均具有内稳性特征;高寒草甸植物根系C∶N属于弱内稳态;沼泽草甸植物根系P属于敏感态,N∶P是弱内稳态;人工草地植物根系N是弱敏感态,根系P是敏感态。说明高寒草原植物根系具有相对较高的内稳性,可能是其能适应极端环境胁迫的原因;高寒草甸植物根系C、N含量受土壤环境的影响较大,沼泽草甸和人工草地植物根系N、P含量受土壤环境影响较大。高寒草原、高寒草甸、沼泽草甸、人工草地根系C∶N分别为19.35、20.68、19.7、46.02;根系C∶P分别为443.03、208.08、183.71、360.29,根...     

锡林河流域退化羊草草原的生态化学计量学研究

以内蒙古锡林河流域典型草原为对象,利用69个羊草群落样地的植被与土壤数据,探讨了植物群落和土壤的养分含量以及生态化学计量特征。结果表明:(1)在羊草草原退化过程中,土壤养分含量表现出下降的变化趋势,土壤TN、AN和TP显著减少;重度退化阶段植物叶片C含量显著降低,N含量呈增加趋势。(2)植物叶片C∶N在重度退化阶段显著降低,表明重度退化提高了植物生长速率。(3)在重度退化阶段,植物叶片N∶P升高,P成为限制性营养元素。本项研究丰富了草地生态化学计量学,对于合理利用草地资源也具有参考价值。     

植物生态化学计量学综述

生态化学计量学结合了化学计量学和生态学的基本原理,是研究多重化学元素平衡和生态系统能量平衡的科学,是分析多重化学元素质量平衡对生态交互作用影响的一种理论,也是研究植物元素分配的重要方法.无论是生态系统水平,还是植物个体水平,各元素都是相互影响的,研究其中一个元素在生态学过程中的作用,必须同时考虑其他元素的影响.在植物的个体水平上,C、N、P等营养元素的分配及组成是相互联系的一个整体,它们之间的相互作用以及与外界环境的关系共同决定着植物的生长发育过程和营养水平.应用生态化学计量学理论能够探讨植物体内营养元素组成的化学计量学特征时非生物环境因子(基质养分组成、水分和温度等)变异的响应及其适应机制,抓住各种营养元素平衡的格局与趋势,从而促进陆地生态化学计量学理论的发展.     

植物生态化学计量学综述

生态化学计量学结合了化学计量学和生态学的基本原理,是研究多重化学元素平衡和生态系统能量平衡的科学,是分析多重化学元素质量平衡对生态交互作用影响的一种理论,也是研究植物元素分配的重要方法。无论是生态系统水平,还是植物个体水平,各元素都是相互影响的,研究其中一个元素在生态学过程中的作用,必须同时考虑其他元素的影响。在植物的个体水平上,C、N、P等营养元素的分配及组成是相互联系的一个整体,它们之间的相互作用以及与外界环境的关系共同决定着植物的生长发育过程和营养水平。应用生态化学计量学理论能够探讨植物体内营养元素组成的化学计量学特征对非生物环境因子(基质养分组成、水分和温度等)变异的响应及其适应机制,抓住各种营养元素平衡的格局与趋势,从而促进陆地生态化学计量学理论的发展。     

宁夏典型草原区不同退耕年限草地植物群落及 优势植物C、N、P化学计量特征

植物C、N、P化学计量特征和草原生态系统功能的正常发挥有直接关系。为了研究宁夏典型草原区不同退耕年限草地植物群落和优势植物化学计量特征的变化规律,以宁夏南部典型草原区不同退耕年限(21、16、11、9、5、3、2年)草地为研究对象,分别对披碱草(Elymus dahuricus)、长芒草(Stipa bungeana)、赖草(Leymus secalinus)、早熟禾(Poa annu)等优势植物及植物群落C、N、P化学计量特征进行分析。结果表明,随着退耕年限增加,植物群落地上部C含量总体呈现下降趋势,全N含量大体呈先减少后增加趋势,全P含量无明显变化规律,C∶N、C∶P、N∶P整体表现为21年退耕地最大,9年退耕地最小;优势植物C含量表现为地上部大于地下部,全P含量表现为地下部大于地上部;植物群落N∶P值和全N含量呈正相关关系,优势植物N∶P值和全N含量呈正相关关系,且N∶P均小于14。典型草原区植物群落和优势植物在整体水平上均受到N素的限制,植物生态化学计量特征对草原的退化和恢复具有指示作用。     

高寒草甸不同植被类型土壤C、N、P及化学计量特征

正生态化学计量学是研究生态过程中化学元素比例关系及其随生物和非生物因子变化规律的科学[1]。一切生物都是由多种化学元素组成的,生态化学计量学认为生物对各养分的需求是由自身化学元素比值决定的,即自稳性[2]。与此同时,生物体的化学元素比值也受到外界环境的影响,这主要是由于生物在生长过程中需要合成大量蛋白质、核糖体等,导致碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)较     

青海森林凋落物生态化学计量特征及其影响因子

凋落物在调节植物-土壤间养分循环和维持森林生态系统物质平衡中具有重要作用。为阐明青海省不同林型(针叶林、阔叶林)森林生态系统凋落物养分含量以及影响凋落物养分变化的环境因子,本研究以青海21个地区的针叶林、阔叶林地表凋落物为研究对象,分析不同林型和海拔上凋落物养分、生态化学计量特征变化规律及其影响因子。结果表明:1)不同海拔分区上,针叶林凋落物碳(C)、氮(N)含量、C∶P、N∶P高于阔叶林,而磷(P)含量低于阔叶林;2)针叶林凋落物N、P含量、C∶N、C∶P、N∶P均与海拔呈线性关系(P<0.001),即N含量、C∶P、N∶P随海拔升高递增,P含量、C∶N随海拔升高递减;3)两种林型(针叶林、阔叶林)凋落物现存量、养分含量及生态化学计量特征与经纬度、坡度、郁闭度、群落高度、样地投影面积均存在显著相关性(除阔叶林P和C∶P外);4)两种林型(针叶林、阔叶林)凋落物C、N、P含量较低;针叶林、阔叶林普遍受到N限制(N∶P<14),其中针叶林在高海拔地区又受到P限制(14相似文献   

宁夏草原植物叶片氮磷化学计量特征及其驱动因素

N、P循环控制着草地生态系统植物生长发育及群落结构和功能。为揭示宁夏草原植物N、P化学计量变化规律及其主要驱动因素,测定111个样地中的优势种植物409个样本叶片N、P含量,分析N、P化学计量特征、空间格局及其与气候因子(年均温度、年均降水量)的关系。结果表明,宁夏草原植物N、P含量的算数平均值分别为22.47和1.83 mg·g^-1,N/P为14.24,宁夏天然草地生长同时受N、P的限制;宁夏天然草地植物叶片N含量和N/P随纬度、年均温升高而增大,随海拔、年均降水量降低而增大,而叶片P含量随年均降水量升高而升高,N、P含量随经度升高而增大;空间分布和水热条件能够解释N、P含量及N/P方差的70.83%,这表明水热是宁夏天然草地植物叶片N、P化学计量特征的主要驱动因素,研究结果可为宁夏草原的管理和生产力的提升提供理论依据。     

氮、磷添加对草地不同冠层植物叶片和根系生态化学计量特征的影响

植物碳(C)、氮(N)、磷(P)生态化学计量特征能反映植物与环境间的相互作用关系,是评估植物对环境变化响应的重要依据。已有的相关研究多以地上器官为主,而对地下器官关注相对较少。本研究以呼伦贝尔草地不同冠层的4种植物——羊草、披针叶黄华、达乌里芯芭和星毛委陵菜为对象,分析了氮、磷添加对其叶片和根系C∶N∶P生态化学计量特征的影响。结果表明:氮、磷添加对4种植物叶片和根系C含量没有显著影响。氮添加显著提高了3种非豆科植物叶片和根系N含量(达乌里芯芭叶片接近显著)、降低了其C∶N,而磷添加显著提高了4种植物叶片和根系P含量并显著降低了C∶P。氮、磷添加对4种植物C、N、P及其化学计量比均无显著的交互作用。4种植物中,羊草叶片和根系C∶N和C∶P在所有处理中均最高,较高的养分利用效率可能是其成为建群种的重要原因。依据植物叶片N∶P情况判断,该生态系统属于N限制类型。在植物养分限制判断中,根系N∶P不应作为养分限制判断的依据。上述研究结果说明草地植物地上地下器官对氮、磷添加的响应具有协同性,而且不同冠层的植物C、N、P生态化学计量特征对氮、磷添加的响应具有一致性。     

高寒草甸植物叶片生态化学计量特征对长期氮肥添加的响应

氮(N)是植物生长发育所需的基本元素,人为N添加已成为陆地生态系统N输入的主要形式。施N作为改善土壤养分条件的重要途径,可改变土壤理化性质,也会对植物叶片生态化学计量特征产生影响。本研究在2012年5月设置0(CK)、10(N₁₀)、20(N₂₀)、30(N₃₀)g·m^-2·a^-1的N添加试验,并于2018年8月采集禾本科、莎草科、豆科和杂类草叶片,测定其碳(C)、N、磷(P)含量,分析不同水平N添加下植物叶片生态化学计量特征的差异,探索长期N添加下植物叶片生态化学计量特征变化的影响因素。结果表明:1)N添加显著提高了禾本科叶片碳(LC)含量而显著降低了豆科LC含量(P<0.05),莎草科和杂类草LC含量变化不显著(P>0.05)。随施N量增加,4种功能群叶片氮(LN)含量均显著增加(P<0.05),而叶片磷(LP)含量变化趋势不一致。2)N添加下4种功能群植物叶片碳氮比(LC/N)整体呈下降趋势,叶片氮磷比(LN/P)和叶片碳磷比(LC/P)呈上升趋势。3)...     

降水量及N添加对宁夏荒漠草原土壤C:N:P生态化学计量特征和植被群落组成的影响

为了解降水格局改变和大气氮(N)沉降增加背景下土壤碳(C)∶N∶磷(P)平衡关系的改变是否会影响到荒漠草原植被群落组成, 基于2017年在宁夏荒漠草原设立的降水量(降水量减少50%、降水量减少30%、自然降水量、降水量增加30%和降水量增加50%)、N添加(0和5 g·m^-2·yr^-1)及其交互作用的野外试验, 初步分析了土壤C∶N∶P生态化学计量特征和植物群落组成的变化趋势以及二者的关系。结果表明, 增加降水量降低了土壤有机C、全N和N∶P。N添加及其与降水量的交互作用对土壤C∶N∶P生态化学计量特征的影响较小; 适量增加降水量刺激了多数植物生长, 提高了群落多样性。过量增加降水量导致猪毛蒿种群生物量急增, 且N添加对降水量效应有促进作用, 从而降低了群落多样性; 土壤含水量、全N、有机C和N∶P与种群生物量关系较为密切, 土壤含水量、有机C、C∶P和C∶N与多样性指数存在较强的相关关系。以上结果意味着降水量会通过调控土壤水分有效性, 改变土壤与植物之间N和P的满足程度, 从而对植物生长策略和群落多样性产生影响; 短期N添加对土壤养分有效性影响较小。因此, 还需通过长期的原位试验, 对N添加及其与降水量交互作用下土壤C∶N∶P计量平衡与植物群落组成的关系进行深入探讨。     

不同利用方式下贝加尔针茅草原植物和土壤的生态化学计量特征

掌握不同利用方式对草原植物和土壤碳、氮和磷生态化学计量特征的影响,可为全面分析和评估不同利用方式对草原生态系统的影响提供基础数据。以贝加尔针茅草原围封、放牧和刈割3种草地为研究对象,研究不同利用方式对贝加尔针茅、羊草和扁蓿豆3种主要植物叶片和土壤碳、氮和磷化学计量特征的影响,分析植物与土壤化学计量之间的相互关系。结果表明,与围封相比,放牧显著增加3种植物叶片全氮含量和贝加尔针茅、扁蓿豆叶片氮磷比;刈割显著增加贝加尔针茅和羊草叶片碳氮比,显著降低贝加尔针茅和羊草叶片全氮含量和氮磷比(P<0.05)。利用方式、物种以及它们之间的交互作用显著影响植物叶片碳、氮、磷化学计量特征。围封增加了0～10cm土层土壤有机碳含量、碳氮比、碳磷比和10～20cm土层土壤碳磷比。不同利用方式对20～30cm土层土壤有机碳、全氮、全磷含量和化学计量比影响不显著。植物与土壤碳、氮、磷化学计量比密切相关,但不同物种与土壤碳、氮、磷化学计量比间的相关关系存在分异。     

苜蓿叶片氮、磷和钾养分重吸收与化学计量比的偶联关系

苜蓿作为一种优良的豆科牧草,具有较强的环境适应性。叶片养分重吸收是提高养分利用效率及增强环境适应性的重要机制之一,其直接影响了苜蓿的养分浓度,进而影响苜蓿元素的化学计量比。目前已有针对苜蓿养分重吸收及生态化学计量特征的研究,但关于苜蓿元素养分重吸收与生态化学计量比之间的偶联关系的研究还鲜有报道。为解释该偶联关系,以7个苜蓿品种作为研究对象,测定了成熟叶片和衰老叶片C、N、P、K元素浓度,分析了养分重吸收特征(包括养分重吸收率、养分重吸收度)及生态化学计量特征,进而分析了两者之间的偶联关系。结果表明,7个苜蓿品种的平均氮重吸收效率(NRE)、磷重吸收效率(PRE)和钾重吸收效率(KRE)分别为42.7%、42.4%和52.1%,分别低于全球陆生植物的NRE、PRE和KRE(分别为62.1%、64.9%和70.1%)。根据养分重吸收特征及生态化学计量比,判断苜蓿受土壤P含量影响最严重。叶片养分重吸收效率基本与衰老叶化学计量比呈正相关关系,而与成熟叶化学计量比呈负相关关系。由此可见,叶片养分重吸收与叶片生态化学计量比存在偶联关系,但受叶片成熟或衰老显著影响。     

旅游干扰和海拔梯度对山地草甸植物叶片与土壤化学计量特征的影响

为了研究阿尔泰山山地草甸在旅游干扰下植物叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及化学计量比沿海拔梯度的分异规律及其与土壤化学计量特征的耦合性,在新疆喀纳斯景区沿海拔梯度设置4组对比样地(旅游干扰与未干扰样地)对主要优势种和伴生种的叶片与0?20 cm土层土壤的C、N、P含量及化学计量比进行了分析。结果如下:1)旅游干扰造成植物叶片C、N、P含量下降,而C/N、C/P和N/P显著增加;0?20 cm土层土壤C、N、P含量及化学计量比呈下降趋势,但土壤N、P含量和N/P变化较小;2)未干扰样地的植物叶片C、N、P含量随海拔增加呈上升趋势,C/N、C/P和N/P呈降低趋势,而旅游干扰使上述趋势逆转;在各海拔梯度的未干扰样地中,随着海拔升高,土壤C含量、C/N减少,而N含量、N/P增加,P含量和C/P变化不明显,旅游干扰对这些变化趋势影响较小;3)在各海拔梯度上,植物叶片C含量与土壤化学计量特征的相关性较弱,叶片N含量与土壤C含量呈正相关关系,土壤C/N、C/P分别与叶片N、P含量呈正相关关系,叶片C/P与土壤C/P呈负相关关系;在高海拔梯度上,叶片N/P与土壤C含量及化学计量比的负相关较强。结果表明,植物叶片与土壤化学计量特征及其相关关系在海拔梯度上产生了分异,旅游干扰下叶片化学计量特征在海拔梯度上的分异规律产生了逆转,而对土壤的分异规律影响较小。这为进一步深入认识旅游干扰对山地草甸生态系统化学计量特征及结构与功能稳定性维持机制的影响提供了重要依据。     

陶湾流域草本植物土壤及土壤微生物量碳氮磷生态化学计量特征

为探索草本植物土壤与土壤微生物量（Soil microbial biomass,SMB）碳（C）、氮（N）、磷（P）元素的生态化学计量特征及其稳态机制,本试验测定了伏牛山陶湾流域紫花苜蓿（Medicago sativa）、蒙古蒿（Artemisia mongolica）、狗牙根（Cynodon dactylon）、芒草（Miscanthus sinensis）和莎草（Rhizoma cyperi）等5种草本植物群落土壤有机碳（Soil organic carbon,SOC）、全氮（（Total N）、全磷（Total P）含量和SMB C,N,P元素含量。结果表明,土壤和SMB C：N：P原子比平均分别为128.6：11：1和75.4：6.6：1。土壤和SMB C：N,C：P,N：P比值差异显著;土壤和SMB C：N,N：P比值间的相关性均不显著,但C：P相关性极为显著（P<0.001）;其中,紫花苜蓿、蒙古蒿、狗牙根C：N相关性显著,芒草和莎草相关性不显著;紫花苜蓿N：P相关性显著,其他相关性均不显著;所有草本植物C：P相关性均显著（P<0.05）。土壤与SMB C：N：P化学计量关系证明了陶湾流域草本植物SMB C,N,P元素的弱稳态机制。