凋落物是連接植物地上部分與土壤生態(tài)過程的重要紐帶,其化學組成直接影響其自身的分解、養(yǎng)分釋放以及陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學循環(huán)。在全球變化背景下,極端干旱、氮沉降和積雪變化等因素正持續(xù)影響草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能。然而,已有關(guān)于凋落物質(zhì)量的研究多聚焦碳、氮、磷等元素及纖維素、木質(zhì)素、碳水化合物和次生代謝物等組分,對于多種植物必需元素特別是礦質(zhì)元素缺乏應(yīng)有的關(guān)注,而且多重全球變化因子如何共同影響凋落物的多元素含量,及其在群落水平上變化的驅(qū)動機制,仍有待深入揭示。
中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所科研人員依托額爾古納森林草原過渡帶生態(tài)系統(tǒng)研究站長期控制實驗平臺,在溫帶草原開展了多因子全球變化模擬實驗。研究設(shè)置了氮添加(模擬氮沉降)、干旱、延遲融雪(模擬氣溫變化導(dǎo)致的融雪時間改變)及其組合處理,系統(tǒng)測定了植物葉片凋落物中大量元素(C、N、P、K)、中量元素(Ca、Mg)和微量元素(Mn、Fe、Cu、Zn)的含量變化,并進一步量化了種內(nèi)性狀變異(intraspecific trait variation, ITV)和物種周轉(zhuǎn)(species turnover)對群落水平凋落物多元素含量變化的相對貢獻。
研究發(fā)現(xiàn),干旱和氮添加是驅(qū)動溫帶草原葉片凋落物多元素含量變化的主要因素,而延遲融雪的影響相對有限??傮w上,凋落物中大量元素C、N、K的含量對氮添加與干旱處理響應(yīng)敏感,呈整體上升態(tài)勢;中量元素Ca、Mg含量因氮添加而下降,而該效應(yīng)會被干旱部分削弱;微量元素Mn、Zn分別對氮添加、干旱產(chǎn)生正向響應(yīng),Cu和Fe含量則無顯著變化。種內(nèi)性狀變異是驅(qū)動群落水平凋落物元素變化的主導(dǎo)機制,在多數(shù)顯著響應(yīng)中解釋了60%至95%的群落水平變化,尤其主導(dǎo)了N、K、Mn、Zn等元素含量的升高和Mg元素含量的下降。相比之下,物種周轉(zhuǎn)僅在特定元素響應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,例如在各處理條件下主導(dǎo)了凋落物Ca含量下降。此外,物種周轉(zhuǎn)還可通過抵消種內(nèi)性狀變異對Mn的促進作用,在群落水平上維持Mn含量的相對穩(wěn)定。
研究揭示了溫帶草原凋落物多元素特征對多重全球變化因子的差異化響應(yīng)規(guī)律,闡明了種內(nèi)性狀變異占主導(dǎo)、物種周轉(zhuǎn)在特定元素中發(fā)揮關(guān)鍵作用的調(diào)控過程,對全球變化背景下以凋落物分解和礦質(zhì)養(yǎng)分釋放為核心的生態(tài)系統(tǒng)過程預(yù)測具有重要參考價值。
研究成果以“Drought and nitrogen addition shape leaf litter multi-element characteristics in a temperate grassland”為題發(fā)表于Journal of Plant Ecology期刊。中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所博士生崔雪為第一作者,王正文研究員、馬望助理研究員為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金重點項目(42230515)資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1093/jpe/rtag116

圖1 全球變化條件下群落水平凋落物多元素化學特征的變化

圖2 多重全球變化因子共同影響群落水平凋落物多元素化學特征的驅(qū)動機制




