树种多样性对生态系统养分利用效率的影响

Numerous experiments have demonstrated that biodiversity has a positive impact on ecosystem productivity. Resource complementary theory predicts that biodiversity may enhance productivity through increasing ecosystem nutrient use efficiency. However, in forest ecosystems, direct evidence of the tree species diversity effect on ecosystem nutrient use efficiency is limited. This proposal will use two tree species diversity experiments in subtropical China, i.e., 2-years-old plantations with 1, 4, 8 tree species mixtures and 11-years-old plantations with 1, 4, 12 tree species mixtures, to asses the net primary productivity and nutrients (i.e., nitrogen, phosphorus, calcium, and magnesium) use efficiency at the ecosystem level. The study will directly test the effect of tree species diversity on ecosystem nutrient use efficiency and whether the effect is age-dependent in subtropical forest ecosystems. The results will advance our understanding of biodiversity-related nutrient use efficiency at the leaf and tree level, and thus provide direct evidence and mechanistic explanations for the nutrient use efficiency related to biodiversity at the ecosystem level.

已有大量实验证明了生物多样性对生态系统生产力有积极影响。根据资源互补理论，生物多样性可能会通过提高生态系统水平养分利用效率进而提高生产力。然而，在森林生态系统中，直接测定树种多样性对生态系统水平养分利用效率影响的研究十分有限。本研究将利用亚热带两个树种多样性野外实验平台，测定2年生1，4，8个树种和11年生1，4，12个树种多样性人工林生态系统生产力及氮、磷、钙、镁等养分利用效率，直接验证树种多样性对生态系统水平养分利用效率影响，以及这种影响随林龄的变化。研究结果将延伸生物多样性相关的叶片和树木尺度的养分利用效率的结果，为生物多样性相关的森林生态系统水平养分利用效率提供直接的证据和机理解释。

生物多样性理论预测物种多样性可能会通过提高生态系统养分利用效率进而提高生产力。然而，野外直接观测支持这一机制的证据非常有限，尤其是在环境变化例如氮沉降的背景下。本研究基于中国亚热带一个大型树种多样性野外实验平台，观测了施氮和对照处理下1，4，8，16个树种多样性人工林生态系统地上生产力、功能性状、土壤微生物多样性，以及个体水平（1102棵树）和生态系统尺度（106个样地）的氮（N）、磷（P）、钙（Ca）、镁（Mg）、钾（K）等养分含量、计量比、重吸收和养分利用效率。结果发现：（1）树种多样性、系统发育多样性和功能多样性均显著提高了群落生物量，而群落功能性状加权平均显著降低了生物量。施氮肥处理显著提高了生物量,并弱化了多样性与生物量的关系;（2）对照和施氮肥处理下树种多样性和系统发育多样性显著降低了生态系统NUE, PUE, CaUE, MgUE,和KUE，而施氮肥显著改变功能多样性与群落养分利用效率的关系;（3）土壤含水量、由树种多样性导致的真菌和细菌多样性的变化，以及由施氮肥处理导致的土壤pH和有效氮的变化与养分利用效率显著相关;（4）本实验中29个树种平均NRE为50.47%、平均PRE为57.33%；AM树种的NRE大于EM树种，而不同菌根树种之间PRE无明显差异。菌根类型与叶片、细根养分含量的相互作用以及细根碳含量显著影响PRE，菌根类型与功能性状的相互作用显著影响NRE和PRE;（5）邻域树种多样性和功能性状不相似性的增加了外生菌根树种叶N浓度，降低P浓度，导致C:N高N:P和C:P下降。同时，邻域树种多样性和功能多样性降低了外生菌根树种NRE, 提高了PRE, 降低NRE:PRE。邻域树种丰富度、邻居竞争指数、功能性状及其交互作用显著影响杉木的相对生长率，叶片养分含量与计量比。本项目从个体到生态系统尺度、结合地上-地下生物多样性，揭示了生态系统养分利用效率的影响因素，为全球变化背景下生物多样性与生态系统关系提供了新的机理解释。

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