草地覆盖全球陆地面积的40%左右,在全球碳循环中发挥着重要作用。近年来,人类活动,如化石燃料燃烧和畜牧业的发展显著增加了氮在全球环境中的沉积。草地管理方式(如刈割)在介导氮沉降对草地植物的影响方面具有重要作用。因此,筛选合适的模型对光响应过程进行拟合并计算相关参数对研究植物光合特性具有重要意义。依托6种氮添加(NH4NO3)梯度和两种草原管理方式(刈割和不刈割)交互处理的野外控制实验,利用Li-6400便携式光合作用系统测定上述实验平台的优势种羊草(Leymus chinensis)的光合作用-光响应过程。采用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型和直角双曲线修正模型4种光响应模型对羊草光响应曲线进行拟合,从参数拟合效果和模型拟合优度筛选氮添加和刈割条件下羊草的最佳拟合模型并分析羊草的光合特性。结果表明:指数模型对表观量子效率(α)、光饱和点(LSP)和最大净光合速率(Pnmax)具有较好的参数拟合效果,非直角双曲线模型的模型拟合优度最好。在所有处理中,羊草均未表现出明显的光抑制现象,具有一定的光合潜力和适应环境变化的能力。适度氮添加和刈割处理能提高羊草净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、Pnmax、α和LSP等,提升了羊草的光能利用率并拓宽了光强利用范围,但过度氮添加并不能进一步提高光合能力。综上,指数模型和非直角双曲线模型较适用于氮添加和刈割条件下羊草的光响应曲线拟合,施氮浓度为20 g N m^(-2)a^(-1)并刈割是最有利于提高羊草光合能力的草原管理措施。探讨了不同氮添加浓度和刈割处理对优势种羊草的交互影响,从光合作用角度分析羊草的适应机制,将对未来全球氮沉降增加情况下的草地管理方案提供科学依据。
草原植物光合作用受氮添加和刈割等草原管理措施的影响。依托内蒙古草甸草原的氮添加(0、2、5、10、20和50 g N·m^(-2)·a^(-1))和刈割(刈割和非刈割)交互处理的野外控制试验,测定其优势物种羊草的光合-CO_(2)响应过程。探究直角双曲线模型、非直角双曲线模型、直角双曲线修正模型和Michaelis-Menten模型对叶片光合-CO_(2)响应曲线的拟合效果,以及光合特性对氮添加和刈割的响应。结果表明:非直角双曲线模型拟合的初始羧化效率和光呼吸速率最接近实测值;直角双曲线修正模型对CO_(2)饱和点、CO_(2)补偿点和最大净光合速率的拟合效果最好;直角双曲线修正模型的拟合优度最高;适度氮添加能提高羊草净光合速率、水分利用效率、最大净光合速率、初始羧化效率和CO_(2)饱和点并降低CO_(2)补偿点,提升羊草对CO_(2)的利用效率;随CO_(2)浓度的升高,氮添加浓度为20 g N·m^(-2)·a^(-1)并刈割的羊草净光合速率增幅较大,具有较高的最大净光合速率、CO_(2)饱和点、水分利用效率和较低的CO_(2)补偿点。综上,非直角双曲线模型和直角双曲线修正模型较适用于氮添加和刈割条件下羊草的CO_(2)响应曲线拟合,在内蒙古草原施氮20 g N·m^(-2)·a^(-1)并刈割最有助于提高羊草光合能力,有利于增大生态系统固碳量。
植物群落水平的养分特征是调控生态系统过程的重要因素。大气氮沉降通过改变植物群落物种组成的种间变化过程和改变植物物种水平养分特征的种内变化过程来影响群落水平养分特征。明确上述两种过程的相对重要性对于预测生态系统功能的变化具有重要意义。本研究依托野外氮素添加实验,分析了氮素输入对于呼伦贝尔草甸草原群落水平氮磷化学计量特征的影响,并分析了两种过程的相对贡献。结果表明:在0~50 g N·m^(-2)·a^(-1)的氮素输入量梯度上,植物群落组成发生明显变化。所关注的17种植物中,8种植物的氮含量与氮素输入量呈显著正相关,而大多数物种的磷含量和N∶P对氮素输入不敏感。随氮素输入量的增加,植物群落水平的氮含量和N∶P均显著升高,而磷含量则无显著变化。氮素输入所引起的群落水平上植物养分特征的变化主要是由于种内变化过程所导致;其对于氮含量、磷含量和N∶P变化的贡献率分别为75%~99%、61%~91%和97%~100%。研究表明:(1)草甸草原生态系统中植物氮磷化学计量特征对于氮素输入的响应具有较强的物种特异性;(2)尽管植物群落组成与结构对于氮素输入非常敏感,但群落水平上氮磷化学计量特征的改变主要是由少数优势物种的种内水平上养分特征变化所导致的。
